در سامانه‌های پیشرفته محرکه الکتریکی، به‌ویژه در کاربردهای حمل‌ونقل الکتریکی و خودروهای برقی، کنترل دقیق گشتاور موتور یکی از مهم‌ترین اهداف طراحی سیستم کنترلی محسوب می‌شود. در این میان، استفاده از ماشین آسنکرون (Asynchronous Machine – ASM) به دلیل ساختار مقاوم، هزینه مناسب و قابلیت اطمینان بالا بسیار رایج است. با این حال، دستیابی به عملکرد دینامیکی مطلوب در این نوع ماشین نیازمند استفاده از راهبردهای کنترلی پیشرفته و مبدل‌های قدرت چندسطحی است.

در این شبیه‌سازی، یک درایو مبتنی بر ماشین آسنکرون مورد بررسی قرار گرفته که از یک مبدل سه‌فاز سه‌سطحی نوع NPC (Neutral Point Clamped) تغذیه می‌شود. منبع تغذیه سیستم یک باتری ولتاژ بالا است که انرژی لازم را برای عملکرد موتور در حالت‌های مختلف فراهم می‌کند. هدف اصلی این سیستم، کنترل گشتاور در هر دو حالت موتوری (Motoring) و ژنراتوری (Generating) است.

ساختار کلی سیستم قدرت

ساختار قدرت در این شبیه‌سازی شامل چهار بخش اصلی است: باتری ولتاژ بالا، مبدل سه‌سطحی NPC، ماشین آسنکرون سه‌فاز و بار مکانیکی معادل. باتری به عنوان منبع DC عمل کرده و انرژی را به لینک DC منتقل می‌کند. مبدل سه‌سطحی وظیفه تبدیل ولتاژ DC به AC کنترل‌شده را بر عهده دارد و امکان تولید ولتاژ با کیفیت بالاتر و اعوجاج کمتر نسبت به مبدل‌های دو سطحی را فراهم می‌سازد.

استفاده از مبدل NPC در این ساختار موجب کاهش تنش ولتاژ روی کلیدهای قدرت و بهبود کیفیت شکل موج خروجی می‌شود. این ویژگی به‌ویژه در کاربردهای توان بالا مانند خودروهای الکتریکی اهمیت بسیار زیادی دارد.

مدل ماشین آسنکرون

ماشین آسنکرون مورد استفاده در این شبیه‌سازی بر اساس مدل dq (مرجع گردان) تحلیل شده است. در این مدل، متغیرهای سه‌فاز به دو محور d و q تبدیل می‌شوند تا کنترل جریان و گشتاور به صورت مستقل امکان‌پذیر گردد. این تبدیل پایه اصلی روش کنترل میدان‌گرا (Field-Oriented Control – FOC) است.

در کنترل میدان‌گرا، جریان محور d برای کنترل شار و جریان محور q برای کنترل گشتاور استفاده می‌شود. این جداسازی باعث می‌شود رفتار موتور مشابه یک ماشین DC کنترل شود، در حالی که ساختار فیزیکی آن سه‌فاز باقی می‌ماند.

راهبرد کنترل میدان‌گرا (FOC)

در این شبیه‌سازی، از کنترل میدان‌گرا به عنوان هسته اصلی کنترل استفاده شده است. هدف این روش، تنظیم مستقل شار و گشتاور از طریق کنترل جریان‌های استاتور است. حلقه‌های کنترلی به دو بخش اصلی تقسیم می‌شوند: حلقه کنترل جریان و حلقه کنترل سرعت/گشتاور.

حلقه کنترل جریان از کنترل‌کننده‌های PI استفاده می‌کند تا جریان‌های مرجع محور d و q را دنبال کنند. این کنترل‌کننده‌ها خطای بین مقدار مرجع و مقدار واقعی را کاهش داده و سیگنال کنترلی مناسب برای مبدل قدرت تولید می‌کنند.

کنترل مبدل سه‌سطحی NPC

مبدل سه‌سطحی NPC یکی از مهم‌ترین اجزای این شبیه‌سازی است. این مبدل علاوه بر تولید ولتاژ AC با کیفیت بالا، دارای یک ویژگی مهم به نام کنترل نقطه خنثی (Neutral Point Balancing) است. در این ساختار، ولتاژ لینک DC به دو خازن تقسیم می‌شود و حفظ تعادل ولتاژ بین این خازن‌ها ضروری است.

برای این منظور از یک کنترل‌کننده تناسبی (P Controller) استفاده شده است که اختلاف ولتاژ نقطه خنثی را اندازه‌گیری کرده و با اعمال اصلاحات لازم، تعادل ولتاژ را حفظ می‌کند. عدم تعادل در این نقطه می‌تواند منجر به اعوجاج در ولتاژ خروجی و کاهش کارایی سیستم شود.

کنترل گشتاور و عملکرد دینامیکی

در این شبیه‌سازی، گشتاور الکترومغناطیسی ماشین به عنوان متغیر اصلی کنترلی در نظر گرفته شده است. مرجع گشتاور در چند مرحله تغییر داده می‌شود تا عملکرد سیستم در شرایط گذرا و حالت پایدار بررسی شود. این تغییرات شامل حالت‌های موتوری و ژنراتوری است.

در حالت موتوری، ماشین انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند و در حالت ژنراتوری، انرژی مکانیکی به الکتریکی تبدیل شده و به منبع بازگردانده می‌شود. این قابلیت دوطرفه بودن، اهمیت ویژه‌ای در کاربردهای ترمز احیایی (Regenerative Braking) دارد.

مدل کنترل جریان با PI

کنترل جریان در این شبیه‌سازی بر اساس کنترل‌کننده PI طراحی شده است. این کنترل‌کننده‌ها نقش کلیدی در کاهش خطای ماندگار و بهبود پاسخ دینامیکی سیستم دارند. جریان‌های محور d و q به صورت جداگانه کنترل می‌شوند و هر کدام دارای کنترل‌کننده مستقل هستند.

مزیت استفاده از کنترل PI در این کاربرد، سادگی پیاده‌سازی در کنار عملکرد مناسب در شرایط خطی و غیرخطی محدود است. با این حال، تنظیم ضرایب PI نقش مهمی در پایداری و سرعت پاسخ سیستم دارد.

بار مکانیکی و شرایط کاری

در این شبیه‌سازی، بار مکانیکی به صورت یک منبع سرعت زاویه‌ای ایده‌آل مدل‌سازی شده است. این بار شرایط مختلف عملیاتی را برای موتور فراهم می‌کند و امکان بررسی رفتار سیستم در شرایط مختلف گشتاور را فراهم می‌سازد.

با اعمال تغییرات پله‌ای در گشتاور مرجع، می‌توان پاسخ گذرای سیستم را تحلیل کرد و عملکرد کنترل‌کننده‌ها را ارزیابی نمود. این تغییرات به‌ویژه در بررسی پایداری سیستم اهمیت دارند.

نتایج حاصل از شبیه‌سازی

نتایج این شبیه‌سازی شامل نمودارهای گشتاور مرجع و گشتاور واقعی و همچنین جریان‌های فاز موتور است. این نتایج نشان می‌دهد که سیستم کنترل طراحی‌شده قادر است به خوبی گشتاور مرجع را دنبال کند و خطای کمی در حالت پایدار داشته باشد.

در حالت گذرا، ممکن است نوساناتی در گشتاور و جریان مشاهده شود، اما این نوسانات به سرعت توسط حلقه‌های کنترلی PI میرا می‌شوند. همچنین عملکرد مبدل سه‌سطحی در تولید ولتاژ با کیفیت بالا باعث کاهش ریپل جریان و بهبود عملکرد کلی سیستم شده است.

تحلیل کلی عملکرد سیستم

به طور کلی، این شبیه‌سازی نشان می‌دهد که ترکیب کنترل میدان‌گرا با مبدل سه‌سطحی NPC و کنترل‌کننده‌های PI می‌تواند یک راهکار بسیار مؤثر برای کنترل گشتاور در ماشین‌های آسنکرون باشد. قابلیت عملکرد در دو حالت موتوری و ژنراتوری، این سیستم را برای کاربردهای حمل‌ونقل الکتریکی بسیار مناسب می‌سازد.

همچنین استفاده از ساختار چندسطحی در مبدل قدرت باعث کاهش اعوجاج هارمونیکی و افزایش کیفیت توان خروجی می‌شود که یکی از چالش‌های مهم در درایوهای الکتریکی مدرن است.