در این شبیه‌سازی، عملکرد یک ماشین سنکرون آهنربای دائم داخلی (Interior Permanent Magnet Synchronous Machine – IPMSM) در یک خودروی هیبریدی الکتریکی از نوع سری مورد بررسی قرار گرفته است. ساختار کلی سیستم به گونه‌ای طراحی شده که یک پیشرانه الکتریکی اصلی وظیفه تأمین گشتاور چرخ‌ها را بر عهده دارد و یک موتور احتراق داخلی به‌صورت غیرمستقیم و از طریق یک ژنراتور، انرژی الکتریکی لازم برای شارژ باتری ولتاژ بالا را فراهم می‌کند. در این میان، کنترل دقیق گشتاور موتور الکتریکی نقش کلیدی در عملکرد دینامیکی خودرو ایفا می‌کند.

در معماری این شبیه‌سازی، یک مبدل DC-DC ایده‌آل به باتری ولتاژ بالا متصل شده و انرژی الکتریکی را به یک اینورتر سه‌فاز کنترل‌شده منتقل می‌کند. این اینورتر، وظیفه تغذیه ماشین IPMSM را بر عهده دارد. همچنین، یک موتور احتراق داخلی به همراه ژنراتور الکتریکی، به‌عنوان منبع تولید انرژی ثانویه در نظر گرفته شده است که باتری را در شرایط مختلف کاری شارژ می‌کند. این ساختار باعث می‌شود که خودرو بتواند در شرایط بار مختلف، بهره‌وری انرژی مناسبی داشته باشد.

ساختار کلی سیستم قدرت در شبیه‌سازی

در سطح سیستم قدرت، معماری شبیه‌سازی شامل چندین زیرسیستم اصلی است که هر یک نقش مشخصی در عملکرد کلی خودرو دارند. باتری ولتاژ بالا به‌عنوان منبع اصلی انرژی الکتریکی عمل می‌کند و از طریق یک مبدل DC-DC ایده‌آل، سطح ولتاژ مناسب برای اینورتر سه‌فاز را فراهم می‌سازد. این اینورتر وظیفه تبدیل انرژی DC به AC سه‌فاز مورد نیاز برای IPMSM را بر عهده دارد.

از سوی دیگر، موتور احتراق داخلی به همراه ژنراتور الکتریکی به‌عنوان یک واحد تولید توان پشتیبان عمل می‌کند. این واحد در مواقعی که سطح شارژ باتری کاهش می‌یابد، وارد مدار شده و انرژی الکتریکی لازم را تولید می‌کند. این ساختار در خودروهای هیبریدی سری بسیار رایج است، زیرا موتور احتراق داخلی هیچ اتصال مکانیکی مستقیمی با چرخ‌ها ندارد و تنها نقش تولیدکننده انرژی الکتریکی را ایفا می‌کند.

مدل‌سازی ماشین IPMSM

ماشین سنکرون آهنربای دائم داخلی (IPMSM) به دلیل چگالی توان بالا، بازده مناسب و قابلیت کنترل دقیق گشتاور، یکی از گزینه‌های اصلی در سیستم‌های محرکه خودروهای الکتریکی و هیبریدی محسوب می‌شود. در این شبیه‌سازی، مدل دینامیکی ماشین بر اساس معادلات dq پیاده‌سازی شده است که امکان تحلیل دقیق جریان‌ها، ولتاژها و گشتاور تولیدی را فراهم می‌کند.

کنترل گشتاور در این ماشین بر پایه کنترل جریان استوار است. جریان‌های سه‌فاز ابتدا به دستگاه مرجع dq تبدیل شده و سپس کنترل‌کننده‌های PI وظیفه تنظیم مؤلفه‌های جریان d و q را بر عهده دارند. در این ساختار، مؤلفه q مستقیماً با گشتاور تولیدی در ارتباط است، در حالی که مؤلفه d معمولاً برای کنترل شار مغناطیسی و بهینه‌سازی عملکرد ماشین مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ساختار کنترل گشتاور و حلقه‌های کنترلی

کنترل گشتاور در این شبیه‌سازی از یک ساختار چندنرخی (Multi-Rate) بهره می‌برد. در این ساختار، حلقه کنترل جریان به‌صورت سریع‌تر نسبت به حلقه کنترل گشتاور عمل می‌کند. این تفاوت در نرخ نمونه‌برداری باعث افزایش پایداری سیستم و بهبود پاسخ دینامیکی موتور می‌شود.

حلقه بیرونی کنترل گشتاور، مقدار گشتاور مطلوب را از کنترل‌کننده سطح بالاتر دریافت کرده و آن را به جریان مرجع تبدیل می‌کند. سپس حلقه داخلی جریان، با استفاده از کنترل‌کننده‌های PI، جریان‌های واقعی موتور را به مقادیر مرجع نزدیک می‌کند. این ساختار سلسله‌مراتبی باعث می‌شود خطای گشتاور در شرایط گذرا به حداقل برسد و پاسخ سیستم نرم‌تر و پایدارتر شود.

نقش Stateflow در زمان‌بندی کنترل

در این شبیه‌سازی، زمان‌بندی وظایف کنترلی از طریق یک ماشین حالت Stateflow پیاده‌سازی شده است. این بخش وظیفه دارد بین حالت‌های مختلف عملکرد سیستم مانند حالت آماده‌به‌کار، حالت رانندگی، حالت بازیابی انرژی و حالت شارژ باتری سوئیچ کند.

استفاده از Stateflow باعث می‌شود منطق کنترلی سیستم به‌صورت گرافیکی و ساختاریافته پیاده‌سازی شود. این موضوع به‌ویژه در سیستم‌های پیچیده مانند خودروهای هیبریدی اهمیت زیادی دارد، زیرا شرایط کاری متنوع و تغییرات سریع بار نیازمند تصمیم‌گیری لحظه‌ای و دقیق هستند.

مدل انتقال قدرت و سیستم مکانیکی

در بخش مکانیکی، سیستم انتقال قدرت شامل یک مدل کاهش دنده با نسبت ثابت است که وظیفه انتقال گشتاور تولیدی موتور IPMSM به چرخ‌ها را بر عهده دارد. همچنین دیفرانسیل خودرو نیز به‌صورت ساده‌سازی‌شده در مدل لحاظ شده است تا توزیع مناسب گشتاور بین چرخ‌ها شبیه‌سازی شود.

این ساده‌سازی باعث می‌شود تمرکز اصلی شبیه‌سازی بر روی رفتار الکتریکی و کنترلی سیستم باقی بماند، در حالی که اثرات مکانیکی اصلی همچنان در مدل لحاظ شده‌اند.

سیستم کنترل‌کننده خودرو

کنترل‌کننده خودرو (Vehicle Controller) نقش رابط بین ورودی‌های راننده و سیستم‌های الکتریکی را ایفا می‌کند. این بخش، سیگنال‌های مربوط به پدال گاز، ترمز و شرایط رانندگی را دریافت کرده و آن‌ها را به دستورات کنترلی مناسب برای موتور IPMSM و ژنراتور تبدیل می‌کند.

این لایه کنترلی در واقع سطح تصمیم‌گیری کلان سیستم است و تعیین می‌کند که چه مقدار گشتاور از موتور الکتریکی درخواست شود و در چه شرایطی ژنراتور وارد مدار شود. این ساختار باعث افزایش بهره‌وری انرژی و بهینه‌سازی مصرف سوخت در خودرو می‌شود.

نتایج شبیه‌سازی و تحلیل عملکرد

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که گشتاور تولیدی موتور IPMSM قادر است به‌خوبی مقدار گشتاور مطلوب را دنبال کند. در نمودارهای خروجی، مقایسه بین گشتاور مرجع و گشتاور اندازه‌گیری‌شده نشان‌دهنده دقت بالای سیستم کنترل است.

در شرایط گذرا، ممکن است اختلاف جزئی بین گشتاور مرجع و واقعی مشاهده شود، اما این اختلاف به‌سرعت توسط حلقه‌های کنترلی جبران می‌شود. این رفتار نشان‌دهنده عملکرد مناسب کنترل‌کننده‌های PI و ساختار چندنرخی سیستم است.

علاوه بر گشتاور، جریان‌های فاز موتور نیز در نتایج شبیه‌سازی بررسی شده‌اند. این جریان‌ها رفتار سینوسی مناسبی دارند و نشان می‌دهند که اینورتر سه‌فاز به‌درستی عمل کرده و اعوجاج هارمونیکی در سطح قابل قبولی کنترل شده است.

بررسی عملکرد دینامیکی سیستم

از دیدگاه دینامیکی، سیستم توانایی پاسخ‌گویی سریع به تغییرات بار و دستورات راننده را دارد. استفاده از کنترل جریان در حلقه داخلی باعث شده است که تأخیر سیستم به حداقل برسد و پاسخ گشتاور بسیار سریع و دقیق باشد.

همچنین، هماهنگی بین مبدل DC-DC، اینورتر و ماشین IPMSM باعث شده است که انتقال انرژی در کل سیستم با راندمان بالا انجام شود. این موضوع در خودروهای هیبریدی سری اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا تمامی انرژی مکانیکی از مسیر الکتریکی عبور می‌کند.

جمع‌بندی

این شبیه‌سازی نشان می‌دهد که استفاده از ماشین IPMSM در خودروهای هیبریدی سری همراه با یک ساختار کنترل چندنرخی و مبتنی بر PI می‌تواند عملکرد بسیار دقیقی در کنترل گشتاور ارائه دهد. ترکیب کنترل پیشرفته، مدل‌سازی دقیق الکتریکی و استفاده از Stateflow برای مدیریت زمان‌بندی، باعث شده است که سیستم از نظر پایداری و پاسخ دینامیکی در سطح مطلوبی قرار گیرد.

در نهایت، نتایج حاصل از این شبیه‌سازی تأیید می‌کند که معماری پیشنهادی برای سیستم محرکه الکتریکی خودروهای هیبریدی سری، نه تنها از نظر عملکرد کنترلی مناسب است، بلکه از نظر بهره‌وری انرژی و قابلیت اطمینان نیز عملکرد قابل قبولی دارد.