در طراحی و توسعه سامانه‌های محرکه خودروهای هیبریدی، ارزیابی عملکرد موتور الکتریکی و تجهیزات الکترونیک قدرت از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. یکی از مهم‌ترین بخش‌های این فرآیند، بررسی میزان تلفات انرژی و راندمان کلی درایو موتور در شرایط کاری مختلف است. شبیه‌سازی تست هارنس درایو موتور سنکرون مغناطیس دائم یا HEV PMSM Drive Test Harness با استفاده از محیط Matlab و Simscape Electrical این امکان را فراهم می‌کند که عملکرد کامل یک سامانه محرکه پیش از پیاده‌سازی عملی مورد ارزیابی قرار گیرد. این روش علاوه بر کاهش هزینه‌های توسعه، موجب افزایش دقت طراحی و بهینه‌سازی عملکرد سیستم نیز می‌شود.

این شبیه‌سازی یک بستر آزمایش مجازی برای درایو موتور سنکرون مغناطیس دائم (Permanent Magnet Synchronous Motor یا PMSM) فراهم می‌کند که ابعاد و مشخصات آن متناسب با خودروهای هیبریدی متداول انتخاب شده است. هدف اصلی این تست هارنس، تعیین تلفات کلی درایو هنگام کار در سرعت و گشتاور مشخص است. اطلاعات به‌دست‌آمده از این شبیه‌سازی می‌تواند به‌صورت داده‌های جدولی در اختیار بلوک Motor & Drive (System Level) در Simscape Electrical قرار گیرد تا در شبیه‌سازی سیکل‌های رانندگی، علاوه بر افزایش سرعت محاسبات، راندمان واقعی سامانه نیز با دقت مناسبی پیش‌بینی شود.

اهمیت استفاده از تست هارنس در طراحی درایو PMSM

در سامانه‌های محرکه خودروهای هیبریدی، موتور PMSM یکی از پرکاربردترین انواع موتورهای الکتریکی محسوب می‌شود. این موتورها به دلیل راندمان بالا، چگالی توان مناسب، قابلیت کنترل دقیق و پاسخ دینامیکی مطلوب، جایگاه ویژه‌ای در صنعت خودرو پیدا کرده‌اند. با این حال، عملکرد مناسب موتور تنها به خود موتور وابسته نیست و تجهیزات جانبی مانند اینورتر سه‌فاز، مدارهای درایور گیت، المان‌های نیمه‌هادی و تجهیزات کنترلی نیز نقش بسیار مهمی در راندمان نهایی سیستم دارند.

به همین دلیل، استفاده از یک تست هارنس جامع این امکان را فراهم می‌کند که تمامی اجزای سیستم به صورت یکپارچه مورد بررسی قرار گیرند. در نتیجه می‌توان سهم هر بخش از تلفات توان را به‌صورت جداگانه محاسبه کرده و در صورت نیاز نسبت به بهینه‌سازی طراحی اقدام نمود.

ساختار مدل شبیه‌سازی

مدل ارائه‌شده شامل یک موتور سنکرون مغناطیس دائم پارامتردهی شده، یک اینورتر سه‌فاز، سیستم کنترل، منبع تغذیه و بار مکانیکی است. تمامی این اجزا در محیط Simscape Electrical به صورت فیزیکی مدل‌سازی شده‌اند تا رفتار واقعی تجهیزات الکتریکی با دقت مناسبی بازسازی شود.

وجود مدل فیزیکی باعث می‌شود اثرات مختلفی مانند تلفات کلیدزنی، تلفات هدایتی، تلفات مغناطیسی، تلفات سیم‌پیچ‌ها و همچنین رفتار گذرای سیستم در طول شبیه‌سازی لحاظ شوند. این ویژگی باعث می‌شود نتایج حاصل از شبیه‌سازی بسیار نزدیک به شرایط واقعی باشند.

زیرسیستم اینورتر سه‌فاز

یکی از مهم‌ترین بخش‌های این مدل، زیرسیستم اینورتر سه‌فاز است. اینورتر وظیفه تبدیل ولتاژ DC به ولتاژ AC سه‌فاز مورد نیاز موتور را بر عهده دارد. در این ساختار، کلیدهای IGBT به همراه دیودهای موازی مورد استفاده قرار گرفته‌اند تا کنترل توان موتور با راندمان مناسب انجام شود.

هر یک از کلیدهای نیمه‌هادی دارای تلفات هدایت و تلفات کلیدزنی هستند که در هنگام روشن و خاموش شدن کلیدها ایجاد می‌شوند. علاوه بر این، مدارهای Gate Driver نیز اگرچه مصرف توان اندکی دارند، اما در محاسبات دقیق راندمان باید در نظر گرفته شوند. مدل حاضر تمامی این تلفات را به صورت مستقل اندازه‌گیری و گزارش می‌کند.

نحوه عملکرد تست هارنس

در این شبیه‌سازی، موتور در یک نقطه کاری مشخص شامل سرعت و گشتاور معین قرار می‌گیرد. سپس تمامی متغیرهای الکتریکی و مکانیکی سیستم توسط ابزارهای اندازه‌گیری Simscape ثبت می‌شوند. پس از پایان شبیه‌سازی، ابزار محاسبه تلفات توان با استفاده از داده‌های ثبت‌شده، میزان اتلاف انرژی در هر یک از اجزای سیستم را استخراج می‌کند.

این اطلاعات علاوه بر نمایش راندمان کلی سیستم، دید مناسبی نسبت به سهم هر قطعه در ایجاد تلفات فراهم می‌کند و مهندسان می‌توانند به راحتی اجزایی را که بیشترین سهم در کاهش راندمان دارند شناسایی کنند.

نتایج حاصل از شبیه‌سازی

در این مثال، موتور در شرایط کاری شامل سرعت 1400 دور بر دقیقه و گشتاور 200 نیوتن‌متر مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که راندمان کلی سامانه برابر با 85.972 درصد است که برای یک سامانه محرکه خودرو هیبریدی مقدار مناسبی محسوب می‌شود.

در طول اجرای شبیه‌سازی، اطلاعات مختلفی توسط ابزارهای اندازه‌گیری ثبت می‌شود. یکی از نمودارها خروجی Spectrum Analyzer را نمایش می‌دهد که محتوای فرکانسی سیگنال‌ها را مشخص می‌کند. همچنین سرعت اندازه‌گیری‌شده روتور با سرعت فرمان مقایسه می‌شود تا کیفیت عملکرد کنترل‌کننده بررسی گردد.

علاوه بر این، جریان‌های سیم‌پیچ‌های موتور نیز اندازه‌گیری می‌شوند. این جریان‌ها دارای ریپل فرکانس بالا هستند که علت اصلی مشاهده نوسانات کوچک در سرعت موتور محسوب می‌شوند. بررسی این ریپل‌ها در طراحی کنترل‌کننده و انتخاب فرکانس کلیدزنی اهمیت فراوانی دارد.

بررسی تلفات اجزای مختلف سیستم

یکی از ارزشمندترین خروجی‌های این شبیه‌سازی، ارائه جدول کامل تلفات توان برای تمامی اجزای سیستم است. مطابق نتایج به‌دست‌آمده، بیشترین میزان تلفات مربوط به موتور PMSM پارامتردهی شده است که حدود 3610 وات توان را به صورت حرارتی تلف می‌کند. این موضوع نشان می‌دهد که بخش عمده انرژی تلف‌شده مربوط به تلفات داخلی موتور شامل تلفات مسی، تلفات آهن و سایر تلفات مکانیکی است.

پس از موتور، بیشترین تلفات مربوط به کلیدهای IGBT اینورتر است. هر یک از شش کلید اینورتر بین حدود 143 تا 159 وات توان تلف می‌کنند. این موضوع اهمیت انتخاب نیمه‌هادی‌های مناسب و طراحی صحیح سیستم خنک‌کننده را نشان می‌دهد.

دیودهای موازی نیز دارای تلفات قابل توجهی هستند که مقدار آن‌ها در محدوده تقریبی 19 تا 24 وات قرار دارد. هرچند این مقدار نسبت به کلیدهای اصلی کمتر است، اما در مجموع سهم قابل توجهی در کاهش راندمان سیستم دارند.

خازن لینک DC نیز دارای حدود 11 وات تلفات است و مقاومت موجود در مدار نیز حدود 4 وات توان را تلف می‌کند. در نهایت، مدارهای Gate Driver هر کلید نیز کمتر از یک وات مصرف دارند، اما در تحلیل دقیق راندمان لحاظ شده‌اند.

مزایای استفاده از داده‌های استخراج‌شده

داده‌های حاصل از این تست هارنس تنها برای تحلیل یک نقطه کاری استفاده نمی‌شوند، بلکه می‌توان با اجرای شبیه‌سازی در سرعت‌ها و گشتاورهای مختلف، یک بانک اطلاعاتی کامل از راندمان و تلفات سیستم تهیه کرد. این اطلاعات به صورت جدول در اختیار بلوک Motor & Drive (System Level) قرار می‌گیرد و امکان اجرای شبیه‌سازی سیکل‌های رانندگی واقعی را با سرعت بسیار بالا فراهم می‌کند.

به دلیل اینکه در این مرحله دیگر نیازی به مدل‌سازی کامل تجهیزات قدرت وجود ندارد، زمان اجرای شبیه‌سازی به شکل چشمگیری کاهش پیدا می‌کند، در حالی که دقت پیش‌بینی مصرف انرژی و راندمان سیستم همچنان حفظ می‌شود.

کاربردهای این شبیه‌سازی

این شبیه‌سازی در حوزه‌های مختلف مهندسی برق و خودرو کاربرد گسترده‌ای دارد. طراحی سامانه‌های محرکه خودروهای هیبریدی، توسعه خودروهای تمام برقی، طراحی اینورترهای قدرت، تحلیل راندمان موتورهای PMSM، بررسی تلفات نیمه‌هادی‌ها، ارزیابی عملکرد سیستم‌های کنترل موتور، طراحی سیستم‌های مدیریت انرژی و همچنین تحقیقات دانشگاهی از مهم‌ترین زمینه‌های استفاده از این مدل محسوب می‌شوند.

علاوه بر صنعت خودرو، بسیاری از تجهیزات صنعتی که از موتورهای PMSM استفاده می‌کنند نیز می‌توانند از این روش برای تحلیل عملکرد و افزایش راندمان بهره ببرند.

مزایای شبیه‌سازی در محیط Matlab و Simscape Electrical

استفاده از Matlab و Simscape Electrical مزایای فراوانی برای تحلیل چنین سامانه‌هایی فراهم می‌کند. مدل‌سازی فیزیکی دقیق تجهیزات، امکان اندازه‌گیری مستقیم توان و انرژی، ثبت تمامی متغیرهای داخلی سیستم، قابلیت اتصال به الگوریتم‌های کنترلی Simulink، امکان استخراج خودکار تلفات توان و همچنین قابلیت تولید جداول راندمان برای استفاده در شبیه‌سازی‌های سطح سیستم، تنها بخشی از امکانات این محیط قدرتمند هستند.

همچنین امکان توسعه مدل، تغییر مشخصات موتور، استفاده از انواع مختلف اینورترها، اعمال شرایط کاری متفاوت و بررسی رفتار سیستم در سیکل‌های رانندگی مختلف باعث شده است که این ابزار یکی از محبوب‌ترین محیط‌های شبیه‌سازی در صنایع خودروسازی و پژوهش‌های دانشگاهی باشد.

جمع‌بندی

شبیه‌سازی تست هارنس درایو موتور سنکرون مغناطیس دائم برای خودروهای هیبریدی، یک ابزار بسیار ارزشمند جهت تحلیل دقیق عملکرد سامانه محرکه محسوب می‌شود. این مدل با محاسبه تلفات تمامی اجزای سیستم، امکان تعیین راندمان واقعی در شرایط کاری مختلف را فراهم می‌کند و اطلاعات لازم برای تولید جداول راندمان و استفاده در شبیه‌سازی‌های سریع‌تر را در اختیار مهندسان قرار می‌دهد. نتایج به‌دست‌آمده از این شبیه‌سازی نشان می‌دهد که بیشترین سهم تلفات مربوط به موتور PMSM و پس از آن کلیدهای اینورتر سه‌فاز است. به همین دلیل، این مدل می‌تواند نقش بسیار مهمی در طراحی، بهینه‌سازی و توسعه سامانه‌های محرکه خودروهای هیبریدی و برقی ایفا کند و فرآیند طراحی را با دقت بیشتر، هزینه کمتر و سرعت بالاتر همراه سازد.