مقدمه

در سال‌های اخیر، استفاده از خودروهای الکتریکی به‌عنوان جایگزینی پایدار برای خودروهای احتراق داخلی به‌طور چشمگیری افزایش یافته است. یکی از مهم‌ترین اجزای این خودروها، سیستم محرکه الکتریکی آن‌ها است که معمولاً بر پایه موتورهای سنکرون آهنربای دائم داخلی (IPMSM) طراحی می‌شود. این نوع موتور به دلیل راندمان بالا، چگالی توان مناسب و قابلیت کنترل دقیق گشتاور، انتخابی بسیار مناسب برای کاربردهای خودرویی محسوب می‌شود.

در این شبیه‌سازی، یک خودروی الکتریکی محور محرک ساده‌شده مورد بررسی قرار می‌گیرد که در آن، موتور IPMSM از طریق یک مبدل سه‌فاز کنترل‌شده توسط یک باتری ولتاژ بالا تغذیه می‌شود. سیستم شامل کنترلرهای چندلایه بوده و رفتار موتور در هر دو حالت موتورینگ و ژنراتوری مورد تحلیل قرار می‌گیرد.

ساختار کلی سیستم محرکه الکتریکی

ساختار کلی این سیستم شامل اجزای اصلی زیر است:

• باتری ولتاژ بالا به‌عنوان منبع انرژی
• مبدل سه‌فاز کنترل‌شده (Inverter)
• موتور سنکرون آهنربای دائم داخلی (IPMSM)
• مدل گیربکس با نسبت ثابت
• دیفرانسیل و سیستم انتقال قدرت
• کنترلر خودرو و کنترلر درایو

انرژی الکتریکی از باتری به مبدل سه‌فاز منتقل شده و پس از تبدیل به سیگنال AC کنترل‌شده، به موتور اعمال می‌شود. موتور نیز گشتاور تولید کرده و از طریق گیربکس و دیفرانسیل، نیروی محرکه را به چرخ‌ها منتقل می‌کند.

عملکرد موتور IPMSM در حالت‌های مختلف

موتور IPMSM در این شبیه‌سازی قادر است در دو حالت اصلی کار کند: حالت موتورینگ و حالت ژنراتوری. در حالت موتورینگ، انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی تبدیل شده و خودرو شتاب می‌گیرد. در مقابل، در حالت ژنراتوری (ترمز احیایی)، انرژی مکانیکی چرخ‌ها به انرژی الکتریکی تبدیل شده و به باتری بازگردانده می‌شود.

این قابلیت دوگانه نقش بسیار مهمی در بهینه‌سازی مصرف انرژی و افزایش برد خودروهای الکتریکی دارد.

کنترلر خودرو و تولید فرمان گشتاور

کنترلر خودرو وظیفه دارد ورودی‌های راننده مانند پدال گاز و ترمز را به فرمان گشتاور مناسب تبدیل کند. این بخش به‌عنوان سطح بالای کنترل عمل کرده و هدف آن تعیین مقدار گشتاور مورد نیاز برای حرکت خودرو در شرایط مختلف است.

این گشتاور مرجع سپس به کنترلر درایو ارسال می‌شود تا موتور بتواند آن را با دقت بالا دنبال کند.

کنترلر درایو و ساختار کنترل گشتاور

کنترلر درایو نقش کلیدی در عملکرد دقیق موتور IPMSM دارد. این کنترلر شامل یک ساختار PI چندنرخی (Multi-rate PI Control) است که در آن حلقه‌های کنترلی با نرخ‌های نمونه‌برداری متفاوت اجرا می‌شوند.

حلقه کنترل جریان به‌صورت سریع‌تر اجرا می‌شود تا دینامیک سریع موتور را کنترل کند، در حالی که حلقه کنترل گشتاور در نرخ پایین‌تری عمل می‌کند. این تفکیک نرخ باعث افزایش پایداری و کاهش خطا در سیستم کنترلی می‌شود.

کنترل جریان و کنترل گشتاور

در موتور IPMSM، کنترل گشتاور به‌طور مستقیم به کنترل جریان‌های استاتور وابسته است. با استفاده از تبدیل‌های dq، جریان‌ها به دو مؤلفه d و q تبدیل می‌شوند. معمولاً مؤلفه q مسئول تولید گشتاور و مؤلفه d برای کنترل شار مغناطیسی استفاده می‌شود.

کنترلر PI در این بخش تلاش می‌کند جریان‌های واقعی را به مقادیر مرجع نزدیک کند تا گشتاور مطلوب تولید شود. دقت این حلقه تأثیر مستقیمی بر کیفیت پاسخ دینامیکی سیستم دارد.

زمان‌بندی وظایف با استفاده از Stateflow

یکی از بخش‌های مهم در این شبیه‌سازی، استفاده از Stateflow® برای مدیریت زمان‌بندی وظایف کنترلی است. این ابزار امکان طراحی ماشین حالت را فراهم می‌کند که وظایف کنترلی را به‌صورت ساختاریافته و زمان‌بندی‌شده اجرا می‌کند.

در این سیستم، وظایف مربوط به کنترل جریان، کنترل گشتاور و به‌روزرسانی سیگنال‌ها در زمان‌های مختلف اجرا می‌شوند. این ساختار باعث می‌شود سیستم از نظر محاسباتی بهینه‌تر و از نظر عملکردی پایدارتر باشد.

مدل گیربکس و سیستم انتقال قدرت

در این شبیه‌سازی، یک مدل ساده‌شده از گیربکس با نسبت ثابت مورد استفاده قرار گرفته است. این مدل وظیفه تبدیل سرعت و گشتاور خروجی موتور به مقادیر مناسب برای چرخ‌ها را بر عهده دارد.

همچنین دیفرانسیل نیز در سیستم لحاظ شده است تا توزیع گشتاور بین چرخ‌ها به‌صورت متعادل انجام شود. این بخش نقش مهمی در رفتار واقعی خودرو ایفا می‌کند.

رفتار سیستم در حالت ترمز احیایی

یکی از ویژگی‌های مهم IPMSM در خودروهای الکتریکی، قابلیت ترمز احیایی است. در این حالت، موتور به‌عنوان ژنراتور عمل کرده و انرژی جنبشی خودرو را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.

این انرژی به باتری بازگردانده می‌شود و باعث افزایش راندمان کلی سیستم می‌شود. در شبیه‌سازی، این حالت به‌وضوح در تغییر علامت گشتاور و جریان‌ها قابل مشاهده است.

سیستم نمایش نتایج (Scopes)

برای تحلیل عملکرد سیستم، از بخش Scopes استفاده شده است. این بخش امکان مشاهده متغیرهای کلیدی مانند گشتاور مرجع، گشتاور واقعی و جریان‌های فاز موتور را فراهم می‌کند.

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که کنترلر توانسته است گشتاور واقعی را با دقت مناسبی از گشتاور مرجع دنبال کند. همچنین جریان‌های سه‌فاز رفتار سینوسی مناسبی دارند که نشان‌دهنده عملکرد صحیح مبدل و کنترلر است.

تحلیل نتایج شبیه‌سازی

در نتایج به‌دست‌آمده از شبیه‌سازی، تطابق قابل قبولی بین گشتاور درخواستی و گشتاور تولیدی مشاهده می‌شود. در لحظات تغییر بار یا تغییر فرمان راننده، سیستم به‌سرعت پاسخ داده و به نقطه کاری جدید همگرا می‌شود.

همچنین در حالت ژنراتوری، تغییر جهت جریان توان به‌وضوح مشاهده شده و نشان‌دهنده عملکرد صحیح سیستم در بازیابی انرژی است.

کنترل چندنرخی PI باعث کاهش نوسانات و افزایش پایداری سیستم شده است. همچنین استفاده از Stateflow موجب بهینه‌سازی اجرای وظایف و جلوگیری از تداخل زمانی در حلقه‌های کنترلی شده است.

جمع‌بندی

در این شبیه‌سازی، یک سیستم محرکه الکتریکی مبتنی بر موتور IPMSM برای یک خودروی محور محرک مورد بررسی قرار گرفت. ساختار کنترلی شامل کنترلر خودرو، کنترلر درایو، حلقه‌های PI چندنرخی و زمان‌بندی مبتنی بر Stateflow بود.

نتایج نشان داد که این ساختار قادر است کنترل دقیقی بر گشتاور موتور در هر دو حالت موتورینگ و ژنراتوری ارائه دهد. همچنین استفاده از مدل‌های ساده‌شده انتقال قدرت مانند گیربکس با نسبت ثابت، امکان تحلیل رفتار سیستم را در سطح سیستم‌محور فراهم می‌کند.

این نوع شبیه‌سازی‌ها نقش مهمی در طراحی و بهینه‌سازی خودروهای الکتریکی دارند و می‌توانند پیش از پیاده‌سازی سخت‌افزاری، عملکرد سیستم را به‌طور دقیق پیش‌بینی کنند.