موتورهای جریان مستقیم بدون جاروبک (Brushless DC Motor یا BLDC) یکی از پرکاربردترین انواع موتورهای الکتریکی در سیستم‌های مدرن صنعتی، رباتیک، تجهیزات پزشکی، خودروهای الکتریکی و سامانه‌های مکاترونیکی هستند. این موتورها به دلیل حذف جاروبک‌های مکانیکی، دارای بازده بالاتر، طول عمر بیشتر، نویز کمتر و نیاز کمتر به تعمیر و نگهداری نسبت به موتورهای DC معمولی هستند. در این شبیه‌سازی، نحوه کنترل سرعت یک موتور BLDC با استفاده از کنترل‌کننده جریان مبتنی بر هیسترزیس بررسی شده و عملکرد سیستم در شرایط مختلف بار و تغییر سرعت مرجع در محیط Matlab شبیه‌سازی می‌شود.

موتورهای DC بدون جاروبک برخلاف موتورهای DC سنتی، برای کموتاسیون جریان از روش‌های الکترونیکی استفاده می‌کنند. در موتورهای معمولی، تغییر جهت جریان سیم‌پیچ‌ها توسط جاروبک و کموتاتور مکانیکی انجام می‌شود، اما در موتورهای BLDC این وظیفه توسط مدارهای الکترونیکی قدرت و الگوریتم‌های کنترلی انجام می‌شود. در ساختار پایه یک موتور BLDC، یک موتور سنکرون مغناطیس دائم با نیروی محرکه الکتریکی برگشتی ذوزنقه‌ای (Trapezoidal Back-EMF) توسط یک اینورتر سه‌فاز تغذیه می‌شود.

برای هماهنگ کردن جریان‌های استاتور با نیروی محرکه الکتریکی برگشتی، از حسگر موقعیت روتور استفاده می‌شود. این حسگر معمولاً شامل سنسورهای اثر هال است که موقعیت زاویه‌ای روتور را تشخیص داده و اطلاعات لازم برای کموتاسیون صحیح موتور را به سیستم کنترل ارسال می‌کند. در نتیجه، موتور در تمام زمان‌ها به صورت سنکرون با میدان مغناطیسی دوار کار می‌کند.

ساختار عملکرد موتور BLDC

یکی از ویژگی‌های مهم موتورهای BLDC شکل ذوزنقه‌ای نیروی محرکه الکتریکی برگشتی آن‌ها است. این موج دارای ناحیه‌ای تقریباً ثابت با طول 120 درجه الکتریکی است. برای دستیابی به بیشترین گشتاور و کمترین ریپل گشتاور، لازم است جریان‌های فاز موتور در بازه‌هایی که Back-EMF ثابت است، مقدار تقریباً ثابتی داشته باشند.

این شرایط باعث می‌شود که موتور BLDC معمولاً با روش کموتاسیون شش مرحله‌ای (Six-Step Commutation) کنترل شود. در این روش، در هر لحظه تنها دو فاز از سه فاز موتور جریان دریافت می‌کنند و فاز سوم آزاد است. این روش کنترل، ساختاری ساده، هزینه پایین و قابلیت اطمینان بالایی دارد و در بسیاری از کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مدل الکتریکی سیستم در Matlab

در این شبیه‌سازی، بخش قدرت سیستم شامل یک منبع ولتاژ DC ایده‌آل با مقدار 310 ولت است که باس DC مبدل الکترونیک قدرت را تشکیل می‌دهد. این منبع به یک مبدل سه‌فاز دو سطحی (Three-Phase Two-Level Converter) متصل شده است. وظیفه این مبدل، تولید ولتاژهای سه‌فاز مناسب برای تغذیه موتور BLDC و ایجاد شرایط لازم برای کنترل سرعت موتور است.

موتور مورد استفاده در این مدل دارای توان نامی 300 وات و سرعت نامی 4000 دور بر دقیقه است. مبدل سه‌فاز با دریافت فرمان‌های کلیدزنی از سیستم کنترل، ولتاژهای مناسب را به سیم‌پیچ‌های موتور اعمال می‌کند. تغییر وضعیت کلیدهای قدرت باعث ایجاد کموتاسیون الکترونیکی شده و میدان مغناطیسی دوار مورد نیاز برای حرکت روتور ایجاد می‌شود.

مدل الکتریکی موتور شامل پارامترهایی مانند مقاومت سیم‌پیچ‌های استاتور، اندوکتانس فازها، شار مغناطیسی آهنرباهای دائم، اینرسی مکانیکی روتور و ضریب اصطکاک است. این پارامترها رفتار واقعی موتور را در شرایط مختلف کاری شبیه‌سازی می‌کنند.

سیستم کنترل سرعت موتور BLDC

هدف اصلی سیستم کنترل، ثابت نگه داشتن سرعت موتور در مقدار مرجع تعیین‌شده است. برای رسیدن به این هدف، ساختار کنترل شامل چند بخش اصلی است که هر کدام وظیفه مشخصی را بر عهده دارند.

کنترل‌کننده سرعت

کنترل‌کننده سرعت، مقدار سرعت واقعی موتور را با مقدار سرعت مرجع مقایسه می‌کند. اختلاف بین این دو مقدار به عنوان خطای سرعت وارد کنترل‌کننده شده و مقدار جریان مرجع مورد نیاز برای تولید گشتاور مناسب تعیین می‌شود.

اگر سرعت موتور کمتر از مقدار مرجع باشد، کنترل‌کننده مقدار جریان مرجع را افزایش می‌دهد تا گشتاور الکترومغناطیسی افزایش یافته و موتور شتاب بگیرد. در مقابل، اگر سرعت موتور بیشتر از مقدار تعیین‌شده باشد، مقدار جریان مرجع کاهش داده می‌شود تا گشتاور کاهش یافته و سرعت به مقدار مطلوب بازگردد.

دیکودر موقعیت روتور

سیگنال‌های تولیدشده توسط حسگرهای هال، اطلاعات مربوط به موقعیت روتور را فراهم می‌کنند. این سیگنال‌ها توسط بخش Decoder پردازش شده و به سه سیگنال مربعی تبدیل می‌شوند. این سیگنال‌ها با نیروی محرکه الکتریکی برگشتی موتور هماهنگ بوده و برای تعیین زمان مناسب روشن و خاموش شدن کلیدهای اینورتر استفاده می‌شوند.

کنترل‌کننده جریان مبتنی بر هیسترزیس

کنترل‌کننده جریان هیسترزیس یکی از روش‌های متداول برای کنترل جریان در درایوهای موتور BLDC است. در این روش، جریان مرجع تولیدشده توسط کنترل‌کننده سرعت با جریان واقعی فازهای موتور مقایسه می‌شود.

خطای جریان ایجادشده وارد کنترل‌کننده هیسترزیس می‌شود. این کنترل‌کننده دارای یک باند هیسترزیس قابل تنظیم است که مشخص می‌کند جریان واقعی تا چه میزان می‌تواند از مقدار مرجع فاصله بگیرد. زمانی که جریان از محدوده تعیین‌شده خارج شود، سیگنال‌های کلیدزنی مناسب برای اینورتر تولید می‌شوند تا جریان دوباره به محدوده مجاز بازگردد.

یکی از ویژگی‌های مهم کنترل هیسترزیس این است که فرکانس کلیدزنی ثابت نیست و با توجه به مقدار باند هیسترزیس و دینامیک مدار استاتور تغییر می‌کند. کاهش پهنای باند هیسترزیس باعث افزایش دقت کنترل جریان می‌شود، اما در مقابل تعداد کلیدزنی‌ها افزایش یافته و تلفات سوئیچینگ بیشتر می‌شود.

نتایج شبیه‌سازی موتور BLDC

پس از اجرای شبیه‌سازی، شکل موج‌های مختلف سیستم شامل سرعت موتور، جریان‌های فاز، گشتاور الکترومغناطیسی و سیگنال‌های کنترلی در بلوک‌های Scope قابل مشاهده هستند.

در ابتدای شبیه‌سازی، موتور با سرعت 3000 دور بر دقیقه و بدون وجود بار مکانیکی کار می‌کند. در این شرایط، سیستم کنترل تنها وظیفه حفظ سرعت مرجع را بر عهده دارد و جریان موتور در مقدار مورد نیاز برای تأمین تلفات داخلی تنظیم می‌شود.

در زمان 0.05 ثانیه، یک گشتاور بار 0.7 نیوتن‌متر به محور موتور اعمال می‌شود. افزایش بار باعث کاهش سرعت موتور می‌شود، اما کنترل‌کننده سرعت با افزایش جریان مرجع، گشتاور الکترومغناطیسی بیشتری تولید می‌کند. در نتیجه سرعت موتور دوباره به مقدار مرجع 3000 دور بر دقیقه بازمی‌گردد.

در زمان 0.1 ثانیه، مقدار سرعت مرجع از 3000 دور بر دقیقه به 1500 دور بر دقیقه کاهش پیدا می‌کند. برای رسیدن به این سرعت جدید، سیستم کنترل یک گشتاور منفی بزرگ ایجاد می‌کند تا موتور کاهش سرعت پیدا کند. در این مرحله، کاهش فرکانس جریان‌های فاز موتور قابل مشاهده است.

در زمان 0.15 ثانیه، یک گشتاور بار منفی برابر با -0.7 نیوتن‌متر به موتور اعمال می‌شود. در این وضعیت، موتور وارد حالت ژنراتوری می‌شود و انرژی مکانیکی دریافت‌شده را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. توان تولیدشده در این حالت حدود 68 وات است.

اجرای شبیه‌سازی بلادرنگ

علاوه بر شبیه‌سازی معمولی، این مدل قابلیت اجرا به صورت بلادرنگ را نیز دارد. در صورت استفاده از Simulink Real-Time و سخت‌افزار Speedgoat، می‌توان مدل موتور BLDC را مستقیماً روی سیستم هدف اجرا کرده و رفتار واقعی کنترل‌کننده را در زمان واقعی بررسی کرد.

برای اجرای مدل در حالت بلادرنگ، ابتدا باید در بخش Configuration Parameters نرم‌افزار Matlab، قسمت Code Generation انتخاب شده و فایل هدف سیستم روی گزینه slrealtime.tlc تنظیم شود. سپس با اتصال سیستم هدف و انتخاب گزینه Run on Target، مدل به صورت خودکار ساخته، به سخت‌افزار منتقل و اجرا خواهد شد.

در کاربردهای آزمایشگاهی و صنعتی، اجرای بلادرنگ این مدل امکان ارزیابی دقیق کنترل‌کننده، بررسی رفتار موتور در شرایط مختلف بار و تست الگوریتم‌های کنترلی پیش از پیاده‌سازی نهایی را فراهم می‌کند.

جمع‌بندی

در این شبیه‌سازی، کنترل سرعت موتور جریان مستقیم بدون جاروبک با استفاده از کنترل‌کننده جریان مبتنی بر هیسترزیس در محیط Matlab بررسی شد. ساختار سیستم شامل موتور BLDC، اینورتر سه‌فاز، حسگر موقعیت روتور، کنترل‌کننده سرعت و کنترل‌کننده جریان هیسترزیس است.

نتایج نشان داد که سیستم کنترل قادر است سرعت موتور را در برابر تغییرات بار مکانیکی و تغییر مقدار سرعت مرجع پایدار نگه دارد. استفاده از کنترل جریان هیسترزیس باعث پاسخ سریع جریان و تولید گشتاور مناسب شده و روش شش مرحله‌ای کموتاسیون نیز امکان بهره‌برداری مؤثر از موتور BLDC را فراهم می‌کند. این مدل می‌تواند به عنوان یک نمونه کاربردی برای مطالعه درایوهای موتور بدون جاروبک، کنترل الکترونیک قدرت و طراحی سیستم‌های محرکه پیشرفته مورد استفاده قرار گیرد.