۱-۱ مروري بر كنترل برداري و كنترل مستقيم گشتاور
در گذشته ، موتورهاي جريان مستقيم (DC ) ، بيشترين كاربرد را در سيستمهاي كنترل سرعت و موقعيت داشتند . دليل اصلي مهندسان طراح محركه هاي الكتريكي براي استفاده از اين موتورها ، سادگي كنترل شار و گشتاور بوده است . به خصوص استفاده از موتورهاي جريان مستقيم با تحريك جداگانه بسيار معمول بوده است چراكه با ثابت نگه داشتن شار و كنترل جريان آرميچر به سادگي كنترل گشتاور امكان پذير است .

بر خلاف ساده بودن كنترل ، اين موتورها معايبي نيز دارند كه از وجود كموتاتورها و جاروبكها در اين موتورها ناشي مي شود . به دليل وجود جرقه جاروبكهاي موتورهاي جريان مستقيم هرچند مدت يك بار نياز به بازبيني دارند ودر محيطهايي كه احتمال انفجار وجود دارد قابل استفاده نمي باشند . علاوه بر اين موتورهاي جريان مستقيم در سرعتهاي بالا نمي توانند كار كنند چرا كه با بالا رفتن سرعت ، زمان كموتاسيون پيچكها كم شده و ولتاژ القايي درآنها بالا مي رود ، در نتيجه جرقه هاي شديدي درموتور ايجاد مي شود .
استفاده از موتورهاي جريان متناوب ،مسائل و مشكلات مذكور براي موتورهاي جريان مستقيم را ندارند . ساختمان اين موتورها نسبت به موتورهاي DC ساده تر بوده و نگهداري آنها نيز راحت تر مي باشد . بدليل داشتن حجم كوچكتر در توان برابر در مقايسه با موتورهاي DC ،موتورهاي جريان متناوب مي توانند در توانهاي بالا با جرم كمتر استفاده شوند .
دو عامل هزينه انرژي و پيشرفت سريع ادوات الكترونيك قدرت باعث شده تا استفاده از موتورهاي جريان متناوب روزافزون شود . موتورهاي جريان متناوب بدليل داشتن راندمان بالا ، تلفات انرژي را كاهش مي دهند. از سوي ديگر پايين آمدن قيمت ادوات الكترونيك قدرت باعث شده تا استفاده از آنها در كنترل موتورهاي جريان متناوب مقرون به صرفه باشد
علاوه بر اينها استفاده از ميكروكنترلها و پروسسورهاي بسيار سريع باعث شده تا در كاربردهايي كه فقط موتورهاي جريان مستقيم استفاده مي شدند نيز بتوان از موتورهاي جريان متناوب باعملكرد مطلوب استفاده كرد .در سالهاي اخير ،شركتهاي بزرگ سازنده محركه هاي الكتريكي از كشورهاي مختلف دنيا كمك هاي زيادي به توسعه محركه هاي AC كرده و محصولات فراوان تا رنجهاي توان بسيار زياد براي انواع موتورهاي AC ( سنكرون وآسنكرون) به بازار عرضه داشته اند .
دو روش اصلي براي كنترل موتورهاي جريان متناوب وجود دارد كه در كاربردهاي با دقت زياد وعملكرد سريع استفاده مي شوند :
۱- روش كنترل برداري (FOC )
2- روش كنترل مستقيم گشتاور( DTC )
محركه هايي كه بر اساس روش كنترل برداري كار مي كنند نخستين بار در آلمان در سه دهه قبل توسط blashke,hasse,Leonard معرفي شدند .شكل (۱-۱) بلوك دياگرام كنترل برداري با فرمان شارو گشتاور را نشان مي دهد . محور d ماشين روي بردار شار روتور قرار داده مي شود كه خود اين بردار با سرعتي برابر فركانس استاتور مي چرخد .مقادير خطاي شار و گشتاور به ترتيب فرمانهاي را توليد مي كنند كه اين مقادير به صورت مجزا قادر به كنترل شار و گشتاور هستند .

همانطور كه از بلوك دياگرام مشخص است ،موقعيت بردار شار جهت تبديل دستگاه چرخان سه فاز به دستگاه چرخان d-p موردنياز است لذا از سنسور سرعت استفاده شده است .
روش كنترل مستقيم گشتاور كه به طور خاص در اين پايان نامه مورد بررسي قرار مي گيرد ، حدودا ۱۵ سال است كه از ابداع آن مي گذرد. اين روش در ابتدا در ژاپن توسط آقاي ناكاهاشي ودر آلمان توسط آقاي دپنبرگ معرفي شد . هر چند كه تا به حال شركتهاي صنعتي معدودي محصول تجاري اين روش را به بازار عرضه كرده اند ولي پيش بيني مي شود كه شركت هاي بيشتري در آينده محركه هاي صنعتي را كه بر اساس روش كنترل مستقيم گشتاور كار مي كنند ، به بازار عرضه نمايند .
مهمترين مزاياي روش كنترل مستقيم گشتاور را مي توان به شرح ذيل بر شمرد :
– عدم نياز به تبديل دستگاه سه فاز abc به دستگاه چرخان :
اين خصوصيت درصورتيكه فقط كنترل گشتاور و شار مد نظر باشد منجر به حذف سنسور سرعت خواهد شد. اين درحالي است كه اكثر محركه هايي كه با روش كنترل برداري كار مي كنند نياز به سيگنال سرعت يا موقعيت دارند .
– عدم نياز به كنترلر PWM :
بر خلاف روش كنترل برداري ، اين روش نياز به كنترلر PWM ندارد و لذا از جهت سخت افزاري پياده سازي آن ساده تر است .
– عدم نياز به كنترل كننده هاي PI :
در صورتيكه كنترل گشتاور و شار مدنظر باشد فقط به دو كنترل كننده هيسترزيس نياز خواهيم داشت . اين در حاليست كه در كنترل برداري حداقل به دو كنترل كننده PI نياز داريم كه تنظيم كردن ضرائب آن خالي از مشكل نيست .
– عدم نياز به بلوك مجزا كننده ( ديكوپلينگ ) ولتاژهاي q,d :
در كنترل برداري با اينوتر منبع ولتاژ نياز داريم كه ولتاژهاي q,d ازهم مجزا شوند ليكن در DTC با مولفه هاي ولتاژ سرو كار نداريم لذا نيازي به بلوك ديكوپلينگ نمي باشد .
– مقاوم بودن سيستم كنترل به تغيير پارامترهاي ماشين به جز مقاومت استاتور :
تنها پارامتر مورد نياز ماشين در اين روش مقاومت استاتور است .
در بررسي انجام شده بر روي روش كنترل مستقيم گشتاور به معايب آن نيز اشاره شده است از جمله اينكه :
مشكل داشتن در سرعتهاي پايين ودر هنگام راه اندازي :
به خاطر بالا بودن جريان راه اندازي و در نتيحه زياد بودن افت ولتاژ روي مقاومت استاتور ،تخمين شار دقيق نخواهد بود .
تخمين شار و گشتاور : اين مشكل در مورد كنترل برداري نيز وجود دارد .
دانستن مقدار دقيق مقاومت استاتور : خطا در مقاومت استاتور مي تواند منجر به ناپايدار شدن سيستم كنترل گردد .
ضربان گشتاور و شار : وجود كنترل كننده هاي هيسترزيس موجب بروز ضربان در گشتاور و شار ماشين مي شود . روش هاي مختلفي براي رفع اين مشكل پيشنهاد شده است .
مواد عنوان شده در بندهاي قبلي در فصل سوم ، درتوضيح اصول كنترل مستقيم گشتاور به طور تفصيلي نشان داده شده اند . در جدول (۱-۱) دو روش به صورت مقايسه اي نشان داده شده اند.

جدول (۱-۱):مقايسه دو روش كنترل برداري و كنترل مستقيم گشتاور
كنترل برداري (FOC ) كنترل مستقيم گشتاور(DTC )
دستگاه مرجع دستگاه چرخانq-d دستگاه ساكن q-d
متغيرهاي كنترل شونده گشتاورو شار روتور يا استاتور گشتاور وشار استاتور
وروديهاي كنترل جريانهاي استاتور بردارهاي ولتاژ استاتور
كميتهاي اندازه گيري شده جريانهاي استاتور و سرعت روتور ولتاژها و جريانهاي استاتور
كميتهاي تخمين زده شده دو يا سه تنظيم كننده جريان گشتاور و استاتور
تنظيم كننده ها دو يا سه تنظيم كننده جريان تنظيم كننده هيسترزيس گشتاور وشار
كنترل گشتاور – كنترل غير مستقيم گشتاور به وسيله جريانهاي استاتور
– ديناميك بالا – كنترل مستقيم گشتاور
– ديناميك بالا
– ضربان گشتاور كنترل شده
كنترل شار – كنترل غير مستقيم بوسيله جريانهاي استاتور
– ديناميك كند – كنترل مستقيم شار
– ديناميك سريع
حساسيت نسبت به تغيير ثايت زماني روتور حساس مي باشد . تنها به تغيير مقاومت استاتور حساس است .
پيچيدگي سخت افزاري – پيچيدگي سخت افزاري زياد
– حجم محاسبات بالا پيچيدگي و حجم محاسبات متوسط

۱-۲- هدفهاي اصلي تحقيق
در سالهاي اخير مقالات متعددي براي بهبود عملكرد موتورها تحت روش كنترل مستقيم گشتاور چاپ شده اند . گروهي از محققان تلاش گسترده اي براي حذف سنسور سرعت انجام داده اند جمعي ديگر از آنها روشهايي براي كاهش ضربان گشتاور ارائه كرده اند از جمله باندهاي هيسترزيس با دامنه متغير براي كاهش ضربان شار و گشتاور استفاده شده است .
براي اولين بار رفتار موتورهاي آهنرباي دائم سنكرون تحت كنترل مستقيم گشتاور در سال ۱۹۹۷ تشريح شد . در مرجع مذكور نشان داده شده كه با افزايش دامنه فرمان شار ، گشتاور ماكزيمم ماشين بزرگتر شده ليكن رفتار آن در لحظات اوليه راه اندازي خطي نبوده وديناميك كندتري خواهد داشت . از اينرو به انتخاب مرجع شار متناسب با گشتاور فرمان اشاره شده ولي راه حلي بر آن ارائه نشده است .اخيرا نحوه انتخاب فرمان شار ماشين آهنرباي دائم سنكرون در دو حالت يكي حداقل كردن تلفات درحالت كاردائمي ماشين و ديگري حداقل كردن جريان راه اندازي پيشنهاد شده است. ليكن در حالات گذراي ماشين ( راه اندازي و فرمان پله گشتاور) روش خاصي براي انتخاب مرجع شار ارائه نشده است .
در اين پايان نامه يك هدف اصلي آن بوده است كه پس از بررسي روش هاي مختلف كليد زني اينورتر در كنترل مستقيم گشتاور موتورهاي AC روش جديدي پيشنهاد شودكه سريع ترين پاسخ را در موتورهاي آهنرباي دائم سنكرون نتيجه بدهد . براي اين منظور اصول كار و طراحي روش پيشنهاد شده ورفتار ماشين تحت آنها مشروحا مورد بررسي قرار گرفته است.
هدف ديگر اين پايان نامه پياده سازي سيستم كنترل مستقيم گشتاور موتور آهنرباي دائم سنكرون در مقياس آزمايشگاهي و با استفاده از پردازشگرDSP بوده است . اين هدف با ايجاد يك سيستم كامل كنترلي در آزمايشگاه پژوهشي سيستم هاي حركت پيشرفته عملي گرديده است .
۱-۳-راهنماي پايان نامه
در اين پايان نامه پس از استنتاج معادلات موتور آهنرباي دائم سنكرون قطب صاف و قطب برجسته در دستگاههاي چرخان مرجع شار روتور و شار استاتور روابط رياضي آن ها در فصل دوم ارايه و اصول روش كنترل مستقيم گشتاور درمورتورهاي آهنرباي دائم سنكرون در فصل سوم تشريح شده است در پايان بر اساس مدل سازي معادلات ماشين PMSM بلوكهاي مربوط به شبيه سازي آن آمده است.

فصل دوم:
موتورهاي آهنرباي دائم سنكرون (PMSM )

۲-۱-ساختار آهنرباي دائم سنكرون ،انواع و كاربردهاي آن
موتورهاي سنكرون معمولي داراي سيم پيچي سه فاز بر روي استاتور و سيم پيچي تحريك روي روتور مي باشند كه سيم پيچي تحريك حامل جريان مستقيم است . سيم پيچي استاتور موتور سنكرون همانند موتور القايي است . موتور سنكرون ، يك موتور با سرعت ثابت بوده كه اين سرعت بستگي به تعداد قطبها و فركانس منبع تغذيه موتور دارد . در اين موتورها مي توان سيم پيچي تحريك را با قطب هاي آهنرباي دائم جايگزين نمود . با استفاده از آهنرباي دائم ، جاروبكها ، حلقه هاي انتهايي و تلفات مسي روتور حذف خواهند شد كه منجر به بالا رفتن بازده موتور مي شود. از سوي ديگر چون تلفات عمده ماشين در استاتور متمركزمي شود ،خنك كردن موتور ساده تر خواهد بود . همچنين تلفات كمتر منجر به كوچك شدن ابعاد موتور مي شود .
موتورهاي آهنرباي دائم سنكرون با توان پايين درسرو موتور نظير كنترل موقعيت ، رباتيك و غيره كاربرد فراواني دارند . البته موتورهاي آهنرباي دائم سنكرون بزرگ نيز ساخته شده اند. بطور مثال يك ماشين يك مگاوات براي محركه كشتي ساخته شده است . ولي مهمترين استفاده از آنها در ربات هاي صنعتي و سروها است چراكه اين كاربردها نيازهاي خاصي دارند كه به بعضي از آنها اشاره مي كنيم :
• چكالي شار زياد در فاصله هوايي
• نسبت توان به جرم موتور زياد
• نسبت گشتاور به اينرسي زياد ( قابليت شتابگيري سريع )
• داشتن گشتاور نرم ( ضربان كم ) حتي در سرعتهاي پايين ( براي داشتن دقت بالا در كنترل موقعيت )
• قابليت كنترل گشتاور درسرعت صفر
• سرعت زياد
• قابليت توليد گشتاور زياد ( براي لحظه هاي كوتاه جهت شتابگيري و ترمز سريع )
• راندمان و ضريب توان زياد
• قابليت طراحي موتور به صورت بسته
تمامي نيازهاي مطرح شده فوق ، تا حد زيادي با بكار بردن موتور آهنرباي دائم سنكرون قابل برآورده شدن مي باشند . به طور مثال در اين موتورها مي توان نسبت طول به قطر ماشين را بزرگ كرد . نتيجتا ثابت زماني مكانيكي ماشين كوچك مي شود .
روشهاي مختلفي براي جا گذاري ماده مغناطيسي روي هسته روتور وجود دارد . به طور مثال ، مواد مغناطيسي جديد نظير نئوديميوم – آهن – برن كه حاصلضرب انرژي
( سطح زير زميني تعريف شده در منحني B-H كه معياري براي انرژي داخلي آهنرباست ) آنها بالا مي باشد روي سطح روتور توسط چسبهاي قوي چسبانده مي شود . براي داشتن استحكام بالا به خصوص در سرعتهاي بالا كه امكان جدا ماده مغناطيسي وجود دارد ، فضاي موجود بين مواد مغناطيسي توسط مواد غير مغناطيسي پر شده و روتور توسط مواد محكم بسته مي شود . بعضي مواقع نيز جهت بهبود شكل توزيع شار از قطب هاي مواد مغناطيسي دائم با گوشه هاي سائيده شده ( به شكل ذوزنقه) استفاده مي شود .
در حال حاضر ، عيب مواد مغناطيسي جديد ، بالا بودن قيمت آنها مي باشد كه اين نيز با پيشرفتهاي جديد در زمينه مواد برطرف خواهد شد . از سوي ديگر تحقيقاتي نيز براي مقاوم كردن اين مواد انجام مي شود چراكه با بالا رفتن درجه حرارت ماده مغناطيسي ، شدت ميدان آن كاهش پيدا مي كند .
در نوع ديگر اين ماشين ها ماده مغناطيسي درون روتور دفن مي شود كه به آنها آهنرباي دائم داخلي گفته مي شود .كه به طور كلي ساختار اين نوع از ماشين ها را در اشكال زير
مي توان ترسيم نمود:

وقتيكه قطعات آهنربا داخل روتور قرار داده مي شود ( موتور آهنرباي دائم سنكرون با قطب صاف ) چون ضريب نفوذ آهنربا خيلي نزديك ضريب نفوذمغناطيسي هوامي باشد (۰۲/۱ تا ۲/۱ برابر ضريب نفوذ هوا ) ، فاصله هوايي در اين موتورها بزرگ خواهد شد و همينطور اثر برجستگي مغناطيسي قطبها را نيز نخواهيم داشت . نتيجتا اندوكتانسهاي مغناطيسي محورهاي q,d تقريبا برابر خواهند بود . از سوي ديگر بخاطر بزرگ بودن فاصله هوايي اندكتانس سنكرون كوچك بوده وعكس العمل آرميچر نيز ناچيز خواهد بود . علاوه بر اينها ثابت زماني الكتريكي سيم پيچي استاتور نيز كوچك خواهد شد . وقتيكه ماده مغناطيسي درون روتور دفن مي شود ( موتور آهنرباي دائم سنكرون با قطب برجسته ) حد بالاي سرعت ، نسبت به موتور آهنرباي دائم سنكرون با قطب صاف زيادتر مي شود چرا كه امكان جدا شدن آهنربا ازروتور درسرعتهاي زياد پايين مي آيد . بدليل نزديك بودن ضريب نفوذ آهنربا به ضريب نفوذ هوا ، اندوكتانسهاي محور q,d برابر نبوده و روتور همانند روتور با قطب هاي برجسته عمل خواهد كرد . بنابراين گشتاور موتور شامل مولفه گشتاور رلوكتانسي نيز خواهد بود .
در موتور هاي سنكرون قطب برجسته چه با سيم پيچي تحريك و چه با آهن رباي دائم توان مصرفي موتور سنكرون قطب برجسته شامل ۲ مولفه خواهد بود . يك مولفه آن توان اكتيو است كه هنگام بارداري موتور مصرف مي شود . و مولفه ديگر توان رلوكتانسي نام دارد .
اين مولفه باعث مي شود حتي اگر موتور بي بار كار كند تواني به نام توان رلوكتانسي مصرف كند .
بر خلاف موتورهاي سنكرون معمولي كه در انها راكتانس محور d بزرگتر از راكتانس محور q است ، در موتورهاي آهنرباي دائم سنكرون قطب برجسته (با آهنرباي دائم داخلي ) راكتانس محور q بزرگتر مي باشد .
موتور سنكرون معمولي با قطب برجسته :
موتور سنكرون آهن رباي دائم :
موتور سنكرون معمولي با قطب صاف :
۲-۲- معادلات موتور آهنرباي دائم سنكرون
مقدمه :
دراين بخش ، ابتدا معادلات ماشين را در سيستم سه فازه abc نشان داده سپس با استفاده از تبديل پارك معادلات ماشين در سيستم چرخان d-q بدست مي آيد . در ادامه با استفاده از دستگاه مرجع شار استاتور ، معادله گشتاور بر حسب زاويه بار را بدست خواهيم آورد.درIPMSM ازديدگاه استاتور طول شكاف هوايي دايمادر حال تغيير است بنابراين شار متغير واندوكتانسهاي متغيري نيز در اين ديدگاه وجود دارداما اگر روي روتور بايستيم طول شكاف هوايي يكنواخت خواهد بودبنابراين شار شكاف هوايي از ديدگاه روتور يكسان خواهد بود.

۲-۳-معادلات موتور در سيستم سه فازه abc
رابطه ولتاژ جريان براي ماشين در دستگاه سه فازه را مي توان به صورت زير بيان كرد :
(۲-۱)
(۲-۲)

كه در رابطه فوق :
موقعيت روتور بر حسب زاويه الكتريكي :
اندوكتانسهاي خودي سيم پيچهاي
اندوكتانسهاي متقابل سيم پيچها :
شار دور ماده مغناطيسي :
مي باشند .
با توجه به وابسته بودن اندوكتانس هاي ماشين به موقعيت روتور طبق رابطه زير ، حل معادلات ولتاژ – جريان بسيار پيچيده و وقت گير بوده واستفاده از تبديل پارك جهت رسيدن به اندوكتانس هاي ثابت و ارائه مدار معادلي كه مستقل از موقعيت روتور باشد سودمند خواهند بود.

۲-۴- معادلات موتور در سيستم دو فازه چرخان d-q
محورهاي چرخان d,q را براي ماشين در نظر مي گيريم كه محور d در راستاي شار آهنرباي دائم قرار داده شده است ( شكل ۲-۱) و ماتريس تبديل A-1,A به ترتيب براي تبديل پارامترها از سيستم سه فازه به سيستم چرخان و بالعكس استفاده مي شود . در اين صورت روابط كلي زير را براي تبديل پارامترها خواهيم داشت :
(۲-۳)
(۲-۴)
كه ماتريس A به صورت زير تعريف مي شود :

و ماتريس معكوس آن به صورت زير است :

معادله (۲-۱) را مي توان به صورت زير بازنويسي كرد :
(۲-۵)
كه p نماد مشتقگيري است .

شكل (۲-۱)دياگرام برداري

اگر طرفين معادله فوق را در ماتريس A ضرب كنيم با استفاده از رابطه (۲-۳) ، رابطه
(۲-۵) به صورت زير خواهد شد .
(۲-۶)
با استفاده از رابطه (۲-۶) مدار معادل محورهاي d,q براي ماشين طبق شكلهاي (۲-۲) و (۲-۳) خواهدشد .

روابط گشتاور وتوان را نيز مي توان در سيستم دو فازه چرخان d,q بدست آورد . رابطه گشتاور بصورت كلي درهر دستگاهي به صورت زير مي باشد :
(۲-۷)
علامت ضرب نشان دهنده ضرب خارجي مي باشد و p تعداد جفت قطبهاي ماشين است . اگر اين رابطه را در سيستم چرخان d-q بنويسيم روابط زير بدست مي آيد :
(۲-۸)
(۲-۹)
توان ورودي به ماشين را نيز مي توان به صورت زير نشان داد :
(۲-۱۰)
كه ضريب به خاطر تعريف ماتريس تبديل A ظاهر شده است .
۲-۵-معادلات ماشين در دستگاه مرجع X-Y ] 17[
اگر دستگاه X-Y را كه در آن محور X بر روي بردار شار استاتور قرار داده شده است در نظر بگيريم در اين دستگاه كميتهاي مختلف را مي توان توسط ماتريس دوران از كميتهاي موجود در دستگاه d-q بدست آورد :