موتورهای براشلس DC یا BLDC به دلیل راندمان بالا، چگالی توان مناسب، سرعت پاسخ‌دهی زیاد و عدم وجود جاروبک‌های مکانیکی، در بسیاری از کاربردهای صنعتی، رباتیک، خودروهای الکتریکی، تجهیزات پزشکی و سیستم‌های محرکه دقیق مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از چالش‌های مهم در استفاده از این موتورها، کنترل دقیق سرعت و حفظ عملکرد مناسب در شرایط تغییر بار است. در این شبیه‌سازی، نحوه کنترل سرعت یک موتور براشلس DC با استفاده از یک اینورتر سه‌فاز شش‌مرحله‌ای و تغییر ولتاژ لینک DC بررسی می‌شود.

مدل ارائه‌شده در محیط Matlab و Simulink، یک سیستم محرکه BLDC را شامل موتور مغناطیس دائم با نیروی محرکه الکتریکی برگشتی ذوزنقه‌ای، مبدل DC/DC، لینک DC متغیر، اینورتر سه‌فاز دو سطحی و سیستم کنترل سرعت نشان می‌دهد. هدف اصلی این شبیه‌سازی، تنظیم سرعت موتور در مقدار مرجع با تغییر ولتاژ ورودی اینورتر است.

معرفی موتور براشلس DC و اصول عملکرد آن

موتورهای BLDC در ساختار الکتریکی خود شباهت زیادی به موتورهای سنکرون مغناطیس دائم دارند. تفاوت اصلی این موتورها با موتورهای DC معمولی، حذف کموتاتور مکانیکی و استفاده از کموتاسیون الکترونیکی است. در موتورهای براشلس، سیم‌پیچ‌های استاتور توسط یک اینورتر سه‌فاز تحریک می‌شوند و موقعیت روتور توسط حسگرهای موقعیت مانند سنسورهای اثر هال اندازه‌گیری می‌شود.

موتور BLDC مورد استفاده در این شبیه‌سازی دارای نیروی محرکه الکتریکی برگشتی ذوزنقه‌ای است. شکل ذوزنقه‌ای Back-EMF باعث می‌شود که برای تولید گشتاور یکنواخت، جریان‌های فاز نیز باید به صورت مناسب کنترل شوند. در این نوع موتورها، زمانی بیشترین گشتاور با کمترین ریپل ایجاد می‌شود که جریان‌های استاتور در بازه‌هایی که نیروی محرکه برگشتی ثابت است، مقدار ثابت داشته باشند.

از آنجا که دامنه ولتاژ القایی موتور متناسب با سرعت چرخش است، یکی از روش‌های موثر برای کنترل سرعت BLDC، تغییر ولتاژ لینک DC متصل به اینورتر سه‌فاز است. با افزایش یا کاهش این ولتاژ، دامنه ولتاژ اعمالی به موتور تغییر کرده و در نتیجه سرعت موتور قابل تنظیم خواهد بود.

مدل الکتریکی سیستم محرکه BLDC

در این شبیه‌سازی، منبع تغذیه اولیه یک منبع DC ایده‌آل است که به یک مبدل DC/DC متصل شده است. خروجی این مبدل توسط یک فیلتر DC تنظیم شده و ولتاژ لینک DC متغیر مورد نیاز اینورتر را فراهم می‌کند.

لینک DC به یک مبدل سه‌فاز دو سطحی متصل است. این اینورتر وظیفه تولید ولتاژهای سه‌فاز مناسب برای راه‌اندازی موتور BLDC را بر عهده دارد. موتور مورد استفاده دارای توان نامی 300 وات و سرعت نامی 4000 دور بر دقیقه است. کنترل دقیق ولتاژ لینک DC باعث می‌شود موتور بتواند در برابر تغییرات بار، سرعت خود را در مقدار مرجع حفظ کند.

در ساختار قدرت، مبدل DC/DC نقش مهمی دارد زیرا به کمک آن می‌توان مقدار ولتاژ ورودی اینورتر را بدون تغییر منبع اصلی کنترل کرد. این روش نسبت به تغییر مستقیم ولتاژ منبع، انعطاف‌پذیری بیشتری برای کنترل سرعت موتور ایجاد می‌کند.

سیستم کنترل سرعت موتور

سیستم کنترل استفاده‌شده در این شبیه‌سازی از چند بخش اصلی تشکیل شده است که وظیفه تنظیم سرعت و تولید سیگنال‌های کنترلی مناسب را بر عهده دارند. مهم‌ترین بخش‌های سیستم کنترل شامل کنترل‌کننده سرعت، کنترل‌کننده ولتاژ و واحد تولید پالس‌های کموتاسیون هستند.

کنترل‌کننده سرعت

در حلقه کنترل سرعت، سرعت واقعی موتور اندازه‌گیری شده و با مقدار مرجع مقایسه می‌شود. اختلاف بین این دو مقدار به عنوان خطای سرعت وارد کنترل‌کننده می‌شود. خروجی این کنترل‌کننده، مقدار مرجع ولتاژ لینک DC است.

به عبارت دیگر، زمانی که سرعت موتور کمتر از مقدار تنظیم‌شده باشد، کنترل‌کننده دستور افزایش ولتاژ لینک DC را صادر می‌کند تا ولتاژ اعمالی به موتور افزایش یافته و سرعت به مقدار مطلوب بازگردد. برعکس، در شرایطی که سرعت بیش از مقدار مرجع باشد، ولتاژ لینک DC کاهش پیدا می‌کند.

کنترل‌کننده ولتاژ لینک DC

پس از تولید مرجع ولتاژ DC توسط کنترل‌کننده سرعت، مقدار واقعی ولتاژ لینک DC اندازه‌گیری و با مقدار مرجع مقایسه می‌شود. خطای حاصل به یک کنترل‌کننده PI ضد اشباع یا Anti-Windup ارسال می‌شود.

خروجی کنترل‌کننده PI مقدار Duty Cycle یا نسبت کاری مبدل DC/DC را تعیین می‌کند. با تغییر این مقدار، ولتاژ خروجی مبدل و در نتیجه ولتاژ لینک DC تنظیم می‌شود. استفاده از مکانیزم Anti-Windup باعث جلوگیری از افزایش بیش از حد خروجی کنترل‌کننده در شرایط اشباع مبدل می‌شود.

کموتاسیون شش‌مرحله‌ای و تولید پالس‌های اینورتر

یکی از ویژگی‌های اصلی موتورهای BLDC، استفاده از روش کموتاسیون شش‌مرحله‌ای است. در این روش، در هر لحظه تنها دو فاز موتور هدایت می‌شوند و فاز سوم بدون جریان باقی می‌ماند. این روش باعث هماهنگی مناسب بین جریان‌های استاتور و نیروی محرکه برگشتی موتور می‌شود.

با توجه به موقعیت روتور که توسط سنسورهای اثر هال اندازه‌گیری می‌شود، سیستم کنترل تصمیم می‌گیرد کدام کلیدهای اینورتر باید روشن یا خاموش شوند. برای حرکت در جهت ساعتگرد یا پادساعتگرد، توالی‌های متفاوتی از کلیدزنی استفاده می‌شود.

در حالت شش‌مرحله‌ای، شش بردار شار استاتور مختلف وجود دارد. برای تولید بیشترین گشتاور، زاویه بین شار روتور و استاتور باید نزدیک به 90 درجه باشد، اما در کنترل شش‌مرحله‌ای این زاویه ثابت باقی نمی‌ماند و معمولاً بین 60 تا 120 درجه تغییر می‌کند.

به عنوان مثال، در توالی کموتاسیون [C- B+]، موقعیت قطب شمال روتور نسبت به قطب شمال استاتور بین 60 تا 120 درجه تغییر می‌کند. نیروی دافعه بین قطب‌های هم‌نام و نیروی جاذبه بین قطب‌های غیرهم‌نام باعث ایجاد گشتاور و چرخش موتور در جهت مورد نظر می‌شود.

نتایج شبیه‌سازی سیستم کنترل سرعت BLDC

پس از اجرای شبیه‌سازی، رفتار موتور در شرایط مختلف بار و تغییر سرعت مرجع بررسی می‌شود. در ابتدا موتور بدون بار مکانیکی با سرعت 4000 دور بر دقیقه کار می‌کند. در این شرایط، سیستم کنترل تلاش می‌کند ولتاژ لینک DC را در مقدار مناسب نگه دارد تا سرعت موتور ثابت باقی بماند.

در زمان 0.1 ثانیه، یک گشتاور بار به مقدار 0.6 نیوتن‌متر به موتور اعمال می‌شود. افزایش بار باعث کاهش تمایل سرعت موتور به کاهش می‌شود، اما کنترل‌کننده سرعت با افزایش مقدار مرجع ولتاژ لینک DC، افت سرعت را جبران کرده و سرعت موتور را دوباره روی مقدار 4000 دور بر دقیقه تثبیت می‌کند.

در زمان 0.25 ثانیه، مقدار مرجع سرعت از 4000 دور بر دقیقه به 1000 دور بر دقیقه کاهش داده می‌شود. در این لحظه سیستم کنترل، ولتاژ لینک DC را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد تا موتور با سرعت جدید کار کند. همچنین با کاهش سرعت موتور، فرکانس جریان‌های فاز نیز کاهش پیدا می‌کند.

در بخش دیگری از شبیه‌سازی، خروجی کنترل‌کننده DC شامل مقدار Duty Cycle مبدل و تغییرات ولتاژ لینک DC قابل مشاهده است. این نتایج نشان می‌دهند که چگونه سیستم کنترل با تغییر ولتاژ DC، سرعت موتور را بدون نیاز به تغییر ساختار اینورتر تنظیم می‌کند.

شبیه‌سازی بلادرنگ سیستم محرکه BLDC

این مدل علاوه بر اجرای معمول در محیط Matlab و Simulink، قابلیت اجرای بلادرنگ با استفاده از Simulink Real-Time و سخت‌افزارهای Speedgoat را نیز دارد. در حالت شبیه‌سازی بلادرنگ، مدل می‌تواند به صورت مستقیم روی سخت‌افزار هدف اجرا شده و سیگنال‌های واقعی سیستم کنترل مشاهده شوند.

برای اجرای مدل در حالت بلادرنگ، باید در بخش تنظیمات پیکربندی Matlab، گزینه Code Generation انتخاب شده و فایل سیستم هدف روی slrealtime.tlc تنظیم شود. سپس مدل روی سخت‌افزار هدف بارگذاری شده و فرآیند اجرا آغاز می‌شود.

شبیه‌سازی بلادرنگ این امکان را فراهم می‌کند که الگوریتم‌های کنترلی موتورهای الکتریکی پیش از پیاده‌سازی عملی، مورد آزمایش و ارزیابی قرار گیرند. این قابلیت در طراحی سیستم‌های محرکه پیشرفته، خودروهای برقی و تجهیزات صنعتی اهمیت زیادی دارد.

جمع‌بندی

در این شبیه‌سازی، کنترل سرعت یک موتور براشلس DC با استفاده از اینورتر سه‌فاز شش‌مرحله‌ای و لینک DC متغیر بررسی شد. نتایج نشان دادند که با کنترل مناسب ولتاژ لینک DC می‌توان سرعت موتور را در برابر تغییرات بار و تغییر مقدار مرجع سرعت تنظیم کرد.

استفاده از ساختار کنترل حلقه بسته شامل کنترل‌کننده سرعت، کنترل‌کننده ولتاژ و الگوریتم کموتاسیون شش‌مرحله‌ای، عملکرد پایدار و دقیق موتور BLDC را فراهم می‌کند. این روش یکی از تکنیک‌های پرکاربرد در سیستم‌های محرکه مدرن است و مدل‌سازی آن در Matlab و Simulink می‌تواند نقش مهمی در آموزش، طراحی و توسعه سیستم‌های کنترل موتورهای الکتریکی داشته باشد.