موتورهای رلوکتانسی سوئیچ‌شونده یا Switched Reluctance Motor (SRM) به دلیل ساختار ساده، استحکام مکانیکی بالا، هزینه تولید مناسب و قابلیت عملکرد در سرعت‌های بالا، به یکی از گزینه‌های مهم در سامانه‌های محرکه الکتریکی تبدیل شده‌اند. با وجود سادگی ساختار مکانیکی، رفتار الکترومغناطیسی این موتورها به شدت غیرخطی بوده و وابستگی زیادی به موقعیت روتور و جریان سیم‌پیچ‌ها دارد. همین موضوع باعث می‌شود مدل‌سازی دقیق این موتورها اهمیت ویژه‌ای در طراحی سیستم‌های کنترلی و تحلیل عملکرد آن‌ها داشته باشد.

در این شبیه‌سازی، فرآیند ساخت یک مدل دقیق از موتور رلوکتانسی سوئیچ‌شونده با استفاده از داده‌های استخراج‌شده از تحلیل المان محدود یا Finite Element Method (FEM) بررسی می‌شود. استفاده از داده‌های FEM باعث می‌شود ویژگی‌های واقعی موتور، از جمله تغییرات شار مغناطیسی و گشتاور تولیدی در شرایط مختلف، با دقت بسیار بیشتری نسبت به مدل‌های تحلیلی ساده در شبیه‌سازی لحاظ شوند. نتیجه این رویکرد، مدلی است که رفتار واقعی موتور را با دقت بالا بازتولید می‌کند و می‌تواند برای طراحی کنترل‌کننده‌ها، بررسی عملکرد دینامیکی و تحلیل شرایط کاری مختلف مورد استفاده قرار گیرد.

اهمیت مدل‌سازی دقیق موتورهای رلوکتانسی سوئیچ‌شونده

برخلاف بسیاری از ماشین‌های الکتریکی متداول، در موتورهای SRM تولید گشتاور ناشی از تمایل سیستم مغناطیسی به قرار گرفتن در کمترین مقدار رلوکتانس است. به همین دلیل، میزان گشتاور تنها تابع جریان سیم‌پیچ نیست، بلکه موقعیت لحظه‌ای روتور نیز نقش تعیین‌کننده‌ای در آن ایفا می‌کند.

به دلیل همین وابستگی دوگانه، روابط بین جریان، شار و گشتاور کاملاً غیرخطی بوده و استفاده از مدل‌های ساده ریاضی نمی‌تواند تمامی ویژگی‌های عملکرد موتور را به خوبی نمایش دهد. به همین علت، داده‌های حاصل از تحلیل FEM در فرآیند پارامتردهی موتور مورد استفاده قرار می‌گیرند تا تمامی این تغییرات با دقت بالا در مدل لحاظ شوند.

استفاده از داده‌های FEM در پارامتردهی موتور

تحلیل المان محدود یکی از دقیق‌ترین روش‌های بررسی میدان‌های الکترومغناطیسی در ماشین‌های الکتریکی محسوب می‌شود. در این روش، هندسه واقعی موتور به تعداد بسیار زیادی المان کوچک تقسیم شده و میدان مغناطیسی در تمامی نقاط موتور محاسبه می‌شود.

نتایج حاصل از این تحلیل شامل مقادیر دقیق شار پیوندی، اندوکتانس، توزیع میدان مغناطیسی و گشتاور تولیدی در شرایط مختلف است. این اطلاعات سپس به صورت جدول‌های جستجو یا Lookup Table در مدل شبیه‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرند تا رفتار واقعی موتور بازسازی شود.

مزیت اصلی این روش آن است که تمامی اثرات اشباع مغناطیسی، تغییرات اندوکتانس و رفتار غیرخطی موتور بدون نیاز به ساده‌سازی‌های زیاد در مدل لحاظ می‌شوند.

ساخت مدل موتور در Simscape

در این شبیه‌سازی، مدل موتور با استفاده از محیط Simscape ساخته شده است. Simscape امکان مدل‌سازی سیستم‌های چندفیزیکی را فراهم می‌کند و برای ماشین‌های الکتریکی مجموعه‌ای از بلوک‌های تخصصی در اختیار کاربر قرار می‌دهد.

برای مدل‌سازی موتور، از یک کامپوننت ترکیبی سفارشی یا Composite Component استفاده شده است. این کامپوننت سه جفت قطب استاتور را با استفاده از بلوک پایه FEM-Parameterized Rotary Actuator ایجاد می‌کند. هر یک از این قطب‌ها بر اساس داده‌های استخراج‌شده از تحلیل FEM رفتار واقعی میدان مغناطیسی را بازسازی می‌کنند.

در نتیجه، موتور ایجادشده نه تنها از نظر ساختار الکترومغناطیسی دقیق است، بلکه پاسخ دینامیکی آن نیز به شرایط واقعی بسیار نزدیک خواهد بود.

نقش عملگر چرخشی پارامتردهی‌شده با FEM

هسته اصلی این مدل، عملگر چرخشی پارامتردهی‌شده با FEM است. این بلوک تمامی اطلاعات مورد نیاز برای محاسبه گشتاور و شار را از جدول‌های استخراج‌شده از تحلیل المان محدود دریافت می‌کند.

در هر لحظه از شبیه‌سازی، مقدار جریان و زاویه روتور مشخص شده و سپس با مراجعه به جدول‌های دوبعدی، مقدار دقیق شار و گشتاور تولیدی محاسبه می‌شود. این روش باعث افزایش دقت شبیه‌سازی نسبت به استفاده از روابط تقریبی می‌شود.

ساختار سه جفت قطب استاتور

در این مدل، موتور دارای سه جفت قطب استاتور است که هر کدام به صورت مستقل کنترل می‌شوند. فعال یا غیرفعال شدن هر سیم‌پیچ باعث ایجاد میدان مغناطیسی در همان ناحیه شده و روتور به سمت کمترین رلوکتانس حرکت می‌کند.

توالی صحیح فعال‌سازی سیم‌پیچ‌ها موجب ایجاد حرکت پیوسته روتور و تولید گشتاور یکنواخت می‌شود. در مدل حاضر، این فرآیند توسط زیرسیستم کنترلی مدیریت می‌شود.

کنترل عملکرد موتور توسط سیگنال‌های ورودی

دو سیگنال اصلی عملکرد موتور را کنترل می‌کنند. نخستین سیگنال، ورودی Reverse است که جهت گشتاور اعمال‌شده به محور موتور را تعیین می‌کند. در صورت تغییر وضعیت این سیگنال، جهت میدان مغناطیسی تغییر کرده و موتور در جهت مخالف شروع به تولید گشتاور می‌کند.

سیگنال دوم، ورودی On/Off است. این سیگنال مشخص می‌کند که آیا موتور باید گشتاور تولید کند یا خیر. زمانی که مقدار این ورودی برابر صفر باشد، تمامی سیم‌پیچ‌ها غیرفعال شده و هیچ گشتاوری به محور موتور اعمال نمی‌شود.

این دو سیگنال امکان بررسی رفتار موتور در شرایط مختلف کاری را فراهم می‌کنند و می‌توانند در طراحی الگوریتم‌های کنترلی مورد استفاده قرار گیرند.

بررسی زیرسیستم Three-Arm Bridge

یکی از بخش‌های مهم مدل، زیرسیستم Three-Arm Bridge است که وظیفه راه‌اندازی سیم‌پیچ‌های موتور را بر عهده دارد. این بخش سیگنال‌های کنترلی را دریافت کرده و جریان مناسب را به هر فاز اعمال می‌کند.

ترتیب صحیح روشن و خاموش شدن هر شاخه، نقش بسیار مهمی در تولید گشتاور نرم، کاهش ریپل گشتاور و افزایش راندمان موتور دارد.

تحلیل نتایج شبیه‌سازی

نتایج ثبت‌شده توسط Simscape Logging رفتار کامل موتور را در طول شبیه‌سازی نمایش می‌دهند. این اطلاعات شامل سرعت موتور، گشتاور، جریان سیم‌پیچ‌ها، وضعیت شار مغناطیسی و سایر کمیت‌های دینامیکی هستند.

با بررسی این داده‌ها می‌توان عملکرد موتور را در شرایط مختلف به دقت تحلیل کرد و میزان تطابق مدل با رفتار واقعی را ارزیابی نمود.

تغییر جهت گشتاور موتور

در بخشی از شبیه‌سازی مشاهده می‌شود که تغییر وضعیت سیگنال Reverse باعث معکوس شدن جهت گشتاور تولیدی موتور می‌شود. این تغییر بدون نیاز به تغییر ساختار موتور انجام شده و تنها با تغییر نحوه تحریک سیم‌پیچ‌ها امکان‌پذیر است.

این قابلیت یکی از ویژگی‌های مهم موتورهای SRM محسوب می‌شود و در بسیاری از کاربردهای صنعتی برای کنترل حرکت رفت و برگشتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

توقف تولید گشتاور

زمانی که سیگنال On/Off برابر صفر قرار می‌گیرد، موتور دیگر هیچ گشتاوری تولید نمی‌کند. با وجود این، محور موتور بلافاصله متوقف نمی‌شود، زیرا انرژی جنبشی موجود در سیستم همچنان باعث ادامه حرکت محور خواهد شد.

در مدل حاضر، کاهش تدریجی سرعت موتور ناشی از وجود اصطکاک ویسکوز اعمال‌شده به محور است. این اصطکاک انرژی مکانیکی ذخیره‌شده را به مرور زمان مستهلک کرده و در نهایت موتور متوقف می‌شود.

بررسی رفتار موتور در بازه زمانی بسیار کوتاه

یکی از بخش‌های مهم این شبیه‌سازی، تحلیل عملکرد موتور در بازه‌های زمانی بسیار کوچک است. در این شرایط می‌توان عملکرد مستقل هر سیم‌پیچ را هنگام روشن و خاموش شدن مشاهده کرد.

هر بار که یک سیم‌پیچ تحریک می‌شود، بخشی از گشتاور مورد نیاز موتور تولید شده و سپس با خاموش شدن آن، سیم‌پیچ بعدی وارد مدار می‌شود. این فرآیند به صورت پیوسته تکرار شده و باعث حرکت مداوم روتور می‌شود.

مشاهده ریپل سرعت موتور

به دلیل روشن و خاموش شدن متوالی سیم‌پیچ‌ها، مقدار بسیار کوچکی از نوسان یا Ripple در سرعت موتور مشاهده می‌شود. این ریپل یکی از ویژگی‌های ذاتی موتورهای رلوکتانسی سوئیچ‌شونده است و میزان آن به نحوه طراحی موتور، روش کنترل و الگوریتم تحریک سیم‌پیچ‌ها بستگی دارد.

در شبیه‌سازی حاضر این تغییرات بسیار کوچک بوده و به خوبی نشان می‌دهد که مدل قادر است حتی جزئی‌ترین رفتارهای دینامیکی موتور را نیز نمایش دهد.

جدول‌های Lookup مورد استفاده در مدل

تمامی محاسبات اصلی موتور بر اساس جدول‌های Lookup انجام می‌شود. این جدول‌ها شامل اطلاعات شار پیوندی و گشتاور موتور هستند که هر دو تابعی از زاویه روتور و جریان سیم‌پیچ محسوب می‌شوند.

در طول شبیه‌سازی، نرم‌افزار با توجه به مقدار لحظه‌ای جریان و موقعیت روتور، داده‌های مناسب را از این جدول‌ها استخراج کرده و از آن‌ها برای محاسبه دقیق گشتاور و شار استفاده می‌کند.

به دلیل استفاده از داده‌های واقعی حاصل از تحلیل FEM، دقت این محاسبات بسیار بیشتر از مدل‌هایی است که صرفاً بر پایه روابط تحلیلی ساخته می‌شوند.

مزایای استفاده از این روش شبیه‌سازی

استفاده از داده‌های تحلیل المان محدود در مدل‌سازی موتورهای رلوکتانسی سوئیچ‌شونده مزایای متعددی به همراه دارد. مهم‌ترین مزیت، افزایش دقت مدل و امکان بررسی رفتار واقعی موتور در شرایط مختلف کاری است. همچنین اثرات اشباع مغناطیسی، تغییرات اندوکتانس، وابستگی گشتاور به موقعیت روتور و تغییرات شار همگی به صورت مستقیم در مدل لحاظ می‌شوند.

این ویژگی‌ها باعث می‌شوند مدل ایجادشده ابزار مناسبی برای طراحی کنترل‌کننده‌های پیشرفته، ارزیابی عملکرد سیستم‌های محرکه، بررسی پاسخ گذرا، تحلیل مصرف انرژی و توسعه سامانه‌های صنعتی مبتنی بر موتورهای SRM باشد.

جمع‌بندی

مدل‌سازی موتور رلوکتانسی سوئیچ‌شونده با استفاده از داده‌های استخراج‌شده از تحلیل FEM روشی دقیق برای بازسازی رفتار واقعی این ماشین الکتریکی محسوب می‌شود. استفاده از کامپوننت ترکیبی Simscape، بهره‌گیری از عملگر چرخشی پارامتردهی‌شده، کنترل موتور از طریق سیگنال‌های Reverse و On/Off، تحلیل رفتار گشتاور و سرعت و همچنین استفاده از جدول‌های دوبعدی شار و گشتاور، مجموعه‌ای کامل برای مطالعه عملکرد این موتور فراهم می‌کند.

این شبیه‌سازی علاوه بر نمایش رفتار دینامیکی موتور در شرایط مختلف، امکان مشاهده جزئیاتی مانند ریپل سرعت، تأثیر روشن و خاموش شدن سیم‌پیچ‌ها، تغییر جهت گشتاور و کاهش تدریجی سرعت بر اثر اصطکاک را نیز فراهم می‌کند و به عنوان یک مرجع مناسب برای تحلیل و توسعه سامانه‌های مبتنی بر موتورهای رلوکتانسی سوئیچ‌شونده در محیط Matlab و Simscape قابل استفاده است.