در بسیاری از کاربردهای صنعتی، انتخاب مدل مناسب برای شبیهسازی سیستمهای الکتریکی و الکترومکانیکی اهمیت بسیار زیادی دارد. هرچه مدل مورد استفاده به رفتار واقعی تجهیزات نزدیکتر باشد، نتایج حاصل از شبیهسازی دقیقتر خواهند بود، اما این دقت معمولاً با افزایش زمان محاسبات و پیچیدگی مدل همراه است. از طرف دیگر، مدلهای سادهشده با کاهش جزئیات فیزیکی، سرعت شبیهسازی را افزایش میدهند و برای طراحی اولیه کنترلکنندهها، تحلیل رفتار کلی سیستم و انجام مطالعات طولانیمدت بسیار مناسب هستند.
در این شبیه سازی، عملکرد دو مدل مختلف از درایو موتور براشلس DC یا AC7 مورد بررسی قرار میگیرد. یکی از مدلها به صورت Detailed Model یا مدل دقیق و دیگری به صورت Average Value Model یا مدل میانگین پیادهسازی شده است. هدف اصلی این شبیه سازی، مقایسه رفتار این دو مدل در شرایط عادی و همچنین در شرایط اشباع اینورتر است تا میزان تطابق مدل سادهشده با مدل دقیق مشخص شود.
هدف از شبیه سازی
در بسیاری از پروژههای طراحی سیستمهای محرکه الکتریکی، مهندسان ابتدا از مدلهای سادهشده استفاده میکنند تا بتوانند در زمان کوتاهتر عملکرد سیستم را بررسی کرده و کنترلکننده مناسب را طراحی کنند. پس از آن، برای اطمینان از صحت عملکرد، همان کنترلکننده روی مدل دقیق آزمایش میشود. این شبیه سازی دقیقاً همین فرآیند را نمایش 
میدهد و نشان میدهد که آیا مدل میانگین قادر است رفتار واقعی سیستم را با دقت مناسبی بازتولید کند یا خیر.
ساختار کلی سیستم
این مدل از دو بلوک AC7 موجود در کتابخانه Specialized Power Systems استفاده میکند. هر دو بلوک یک موتور براشلس DC با توان تقریبی سه اسب بخار را مدلسازی میکنند اما روش تولید ولتاژ و جریان در آنها متفاوت است.
در مدل دقیق، موتور سنکرون مغناطیس دائم با نیروی محرکه معکوس ذوزنقهای توسط یک اینورتر PWM تغذیه میشود. این اینورتر با استفاده از بلوک Universal Bridge ساخته شده است و تمامی کلیدزنیهای نیمههادی، تغییرات ولتاژ و رفتار واقعی اینورتر را مدل میکند. بنابراین تمامی اثرات ناشی از کلیدزنی، ریپل جریان و محدودیتهای ولتاژ در نتایج مشاهده میشود.
در مقابل، مدل میانگین بسیاری از جزئیات کلیدزنی را حذف میکند و به جای استفاده از اینورتر واقعی، از منابع ولتاژ و جریان ایدهآل برای تغذیه موتور استفاده میکند. این موضوع باعث میشود محاسبات بسیار سریعتر انجام شوند و زمان اجرای شبیه سازی به میزان قابل توجهی کاهش یابد.
کنترل سرعت موتور
برای کنترل سرعت موتور از یک حلقه کنترل سرعت مبتنی بر تنظیمکننده PI استفاده شده است. این کنترلکننده اختلاف بین سرعت مرجع و سرعت واقعی موتور را محاسبه کرده و بر اساس آن گشتاور مرجع را تولید میکند. سپس بلوک کنترل جریان با استفاده از این گشتاور مرجع، جریانهای مرجع سهفاز موتور را محاسبه میکند.
جریانهای تولید شده همفاز با نیروی محرکه معکوس موتور هستند تا بیشترین گشتاور الکترومغناطیسی تولید شود. در نهایت، کنترلکننده جریان سهفاز وظیفه اعمال این جریانها به موتور را بر عهده دارد.
سیگنالهای قابل مشاهده
در خروجی بلوکهای AC7 مجموعه کاملی از سیگنالهای الکتریکی و مکانیکی در اختیار کاربر قرار میگیرد. این سیگنالها امکان مقایسه مستقیم عملکرد دو مدل را فراهم میکنند.
- جریانهای استاتور موتور
- ولتاژهای اعمالشده به موتور
- نیروی محرکه معکوس (Back EMF)
- سرعت روتور
- گشتاور الکترومغناطیسی
- ولتاژ باس DC
- جریان باس DC
- سرعت مرجع
- گشتاور مرجع
تمامی این سیگنالها به صورت همزمان نمایش داده میشوند تا اختلاف عملکرد مدل دقیق و مدل میانگین به راحتی قابل مشاهده باشد.
بررسی روند شبیه سازی
لحظه شروع شبیه سازی
در زمان صفر ثانیه، سرعت مرجع برابر با 2400 دور بر دقیقه تعیین میشود. همچنین بار کامل مکانیکی به میزان 11 نیوتنمتر روی موتور اعمال میشود. سیستم کنترل سرعت بلافاصله شروع به افزایش جریان موتور کرده و موتور مطابق شیب شتاب تعیینشده شروع به افزایش سرعت میکند.
در این مرحله هر دو مدل تقریباً رفتار مشابهی دارند و سرعت موتور به خوبی از مرجع تعیینشده پیروی میکند.
اشباع اینورتر در زمان 0.6 ثانیه
در زمان 0.6 ثانیه، ولتاژ خروجی اینورتر دیگر برای ادامه افزایش سرعت کافی نیست. در نتیجه اینورتر وارد ناحیه اشباع میشود. در این شرایط کنترلکننده دیگر قادر به دنبال کردن دقیق جریان مرجع نیست و اختلاف بین جریان واقعی و جریان مرجع افزایش پیدا میکند.
کاهش دقت کنترل جریان باعث کاهش گشتاور تولیدی موتور میشود و شتاب موتور کاهش مییابد. این نقطه زمانی اتفاق میافتد که سرعت موتور تقریباً به 1200 دور بر دقیقه رسیده است.
این نتیجه کاملاً با منحنی سرعت-گشتاور سیستم مطابقت دارد و نشان میدهد مدل شبیه سازی به درستی محدودیتهای عملکرد اینورتر را نمایش میدهد.
تغییر جهت دوران موتور
در زمان 1.2 ثانیه، سرعت مرجع از 2400 دور بر دقیقه به منفی 2400 دور بر دقیقه تغییر میکند. این تغییر به معنی درخواست چرخش موتور در جهت مخالف است.
کنترلکننده سرعت ابتدا گشتاور ترمزی ایجاد میکند تا سرعت موتور کاهش پیدا کند و سپس پس از رسیدن سرعت به صفر، موتور در جهت مخالف شروع به شتابگیری میکند.
بازگشت اینورتر به حالت عادی
در زمان 1.6 ثانیه، سرعت موتور به رمپ کاهش سرعت میرسد و شرایط کاری اینورتر دوباره وارد محدوده مجاز میشود. در نتیجه اشباع از بین رفته و کنترل جریان مجدداً عملکرد مناسبی پیدا میکند.
پس از خروج از ناحیه اشباع، موتور دوباره قادر است گشتاور مورد نیاز را تولید کرده و سرعت را مطابق فرمان کنترلکننده تنظیم کند.
تغییر بار مکانیکی
در زمان 2 ثانیه، بار مکانیکی از 11 نیوتنمتر به منفی 11 نیوتنمتر تغییر میکند. این تغییر باعث تغییر شرایط کاری موتور شده و سیستم کنترل باید خود را با شرایط جدید تطبیق دهد.
کنترلکننده PI با اصلاح جریانهای موتور تلاش میکند سرعت مرجع را حفظ کند و اثر تغییر بار را تا حد امکان جبران نماید.
اشباع مجدد اینورتر
در زمان 3 ثانیه، اینورتر بار دیگر به دلیل محدودیت ولتاژ وارد ناحیه اشباع میشود. مشابه حالت قبلی، کنترل جریان دچار افت عملکرد شده و گشتاور تولیدی کاهش پیدا میکند.
این رفتار نشان میدهد که محدودیت ولتاژ اینورتر یکی از مهمترین عوامل محدودکننده عملکرد سیستمهای محرکه الکتریکی در سرعتهای بالا است.
مقایسه مدل دقیق و مدل میانگین
یکی از مهمترین اهداف این شبیه سازی، بررسی میزان تطابق مدل میانگین با مدل دقیق است. نتایج نشان میدهد که اگرچه مدل میانگین جزئیات مربوط به کلیدزنی اینورتر، ریپل جریان و پدیدههای سریع الکترونیک قدرت را حذف کرده است، اما در پیشبینی رفتار کلی موتور عملکرد بسیار مناسبی دارد.
پاسخ سرعت، تغییرات گشتاور، رفتار دینامیکی موتور و حتی واکنش سیستم در هنگام اشباع اینورتر در مدل میانگین شباهت بسیار زیادی به مدل دقیق دارد. این ویژگی باعث میشود مدل میانگین گزینهای مناسب برای طراحی کنترلکنندهها، تحلیل عملکرد سیستم و انجام شبیه سازیهای طولانی باشد.
مزایای استفاده از مدل میانگین
- افزایش قابل توجه سرعت اجرای شبیه سازی
- کاهش حجم محاسبات عددی
- سادگی طراحی کنترلکننده
- امکان اجرای تحلیلهای طولانی مدت
- کاهش مصرف حافظه سیستم
- حفظ دقت مناسب در تحلیل رفتار کلی موتور
مزایای مدل دقیق
- نمایش دقیق کلیدزنی اینورتر
- بررسی ریپل جریان و ولتاژ
- تحلیل عملکرد نیمههادیهای قدرت
- بررسی تلفات سوئیچینگ
- مطالعه رفتار گذرا با دقت بالا
- تحلیل دقیق شرایط اشباع اینورتر
کاربردهای این شبیه سازی
این شبیه سازی در طراحی سیستمهای محرکه الکتریکی، توسعه کنترلکنندههای موتورهای براشلس DC، آموزش دروس ماشینهای الکتریکی، الکترونیک قدرت و کنترل پیشرفته، تحلیل رفتار اینورترهای PWM و همچنین ارزیابی عملکرد موتورهای مغناطیس دائم در شرایط مختلف کاری کاربرد فراوانی دارد. علاوه بر این، مقایسه دو مدل مختلف به مهندسان کمک میکند تا با توجه به نیاز پروژه، بین سرعت شبیه سازی و دقت نتایج تعادل مناسبی برقرار کنند.
جمعبندی
این شبیه سازی نشان میدهد که هر دو مدل دقیق و میانگین قادر به بازتولید رفتار کلی درایو موتور براشلس DC هستند، اما هر یک کاربرد خاص خود را دارند. مدل دقیق برای تحلیلهای سطح پایین، بررسی عملکرد اینورتر و مطالعه پدیدههای گذرا مناسب است، در حالی که مدل میانگین با حفظ دقت قابل قبول، زمان اجرای شبیه سازی را به میزان چشمگیری کاهش میدهد. نتایج حاصل از این مقایسه نشان میدهد که مدل سادهشده میتواند در بسیاری از مراحل طراحی و توسعه سیستمهای کنترلی جایگزین مناسبی برای مدل دقیق باشد و فرآیند طراحی را سریعتر و کارآمدتر کند.
در بسیاری از کاربردهای صنعتی، انتخاب مدل مناسب برای شبیهسازی سیستمهای الکتریکی و الکترومکانیکی اهمیت بسیار زیادی دارد. هرچه مدل مورد استفاده به رفتار واقعی تجهیزات نزدیکتر باشد، نتایج حاصل از شبیهسازی دقیقتر خواهند بود، اما این دقت معمولاً با افزایش زمان محاسبات و پیچیدگی مدل همراه است. از طرف دیگر، مدلهای سادهشده با کاهش جزئیات فیزیکی، سرعت شبیهسازی را افزایش میدهند و برای طراحی اولیه کنترلکنندهها، تحلیل رفتار کلی سیستم و انجام مطالعات طولانیمدت بسیار مناسب هستند.
در این شبیه سازی، عملکرد دو مدل مختلف از درایو موتور براشلس DC یا AC7 مورد بررسی قرار میگیرد. یکی از مدلها به صورت Detailed Model یا مدل دقیق و دیگری به صورت Average Value Model یا مدل میانگین پیادهسازی شده است. هدف اصلی این شبیه سازی، مقایسه رفتار این دو مدل در شرایط عادی و همچنین در شرایط اشباع اینورتر است تا میزان تطابق مدل سادهشده با مدل دقیق مشخص شود.
هدف از شبیه سازی
در بسیاری از پروژههای طراحی سیستمهای محرکه الکتریکی، مهندسان ابتدا از مدلهای سادهشده استفاده میکنند تا بتوانند در زمان کوتاهتر عملکرد سیستم را بررسی کرده و کنترلکننده مناسب را طراحی کنند. پس از آن، برای اطمینان از صحت عملکرد، همان کنترلکننده روی مدل دقیق آزمایش میشود. این شبیه سازی دقیقاً همین فرآیند را نمایش میدهد و نشان میدهد که آیا مدل میانگین قادر است رفتار واقعی سیستم را با دقت مناسبی بازتولید کند یا خیر.
ساختار کلی سیستم
این مدل از دو بلوک AC7 موجود در کتابخانه Specialized Power Systems استفاده میکند. هر دو بلوک یک موتور براشلس DC با توان تقریبی سه اسب بخار را مدلسازی میکنند اما روش تولید ولتاژ و جریان در آنها متفاوت است.
در مدل دقیق، موتور سنکرون مغناطیس دائم با نیروی محرکه معکوس ذوزنقهای توسط یک اینورتر PWM تغذیه میشود. این اینورتر با استفاده از بلوک Universal Bridge ساخته شده است و تمامی کلیدزنیهای نیمههادی، تغییرات ولتاژ و رفتار واقعی اینورتر را مدل میکند. بنابراین تمامی اثرات ناشی از کلیدزنی، ریپل جریان و محدودیتهای ولتاژ در نتایج مشاهده میشود.
در مقابل، مدل میانگین بسیاری از جزئیات کلیدزنی را حذف میکند و به جای استفاده از اینورتر واقعی، از منابع ولتاژ و جریان ایدهآل برای تغذیه موتور استفاده میکند. این موضوع باعث میشود محاسبات بسیار سریعتر انجام شوند و زمان اجرای شبیه سازی به میزان قابل توجهی کاهش یابد.
کنترل سرعت موتور
برای کنترل سرعت موتور از یک حلقه کنترل سرعت مبتنی بر تنظیمکننده PI استفاده شده است. این کنترلکننده اختلاف بین سرعت مرجع و سرعت واقعی موتور را محاسبه کرده و بر اساس آن گشتاور مرجع را تولید میکند. سپس بلوک کنترل جریان با استفاده از این گشتاور مرجع، جریانهای مرجع سهفاز موتور را محاسبه میکند.
جریانهای تولید شده همفاز با نیروی محرکه معکوس موتور هستند تا بیشترین گشتاور الکترومغناطیسی تولید شود. در نهایت، کنترلکننده جریان سهفاز وظیفه اعمال این جریانها به موتور را بر عهده دارد.
سیگنالهای قابل مشاهده
در خروجی بلوکهای AC7 مجموعه کاملی از سیگنالهای الکتریکی و مکانیکی در اختیار کاربر قرار میگیرد. این سیگنالها امکان مقایسه مستقیم عملکرد دو مدل را فراهم میکنند.
جریانهای استاتور موتور
ولتاژهای اعمالشده به موتور
نیروی محرکه معکوس (Back EMF)
سرعت روتور
گشتاور الکترومغناطیسی
ولتاژ باس DC
جریان باس DC
سرعت مرجع
گشتاور مرجع
تمامی این سیگنالها به صورت همزمان نمایش داده میشوند تا اختلاف عملکرد مدل دقیق و مدل میانگین به راحتی قابل مشاهده باشد.
بررسی روند شبیه سازی
لحظه شروع شبیه سازی
در زمان صفر ثانیه، سرعت مرجع برابر با 2400 دور بر دقیقه تعیین میشود. همچنین بار کامل مکانیکی به میزان 11 نیوتنمتر روی موتور اعمال میشود. سیستم کنترل سرعت بلافاصله شروع به افزایش جریان موتور کرده و موتور مطابق شیب شتاب تعیینشده شروع به افزایش سرعت میکند.
در این مرحله هر دو مدل تقریباً رفتار مشابهی دارند و سرعت موتور به خوبی از مرجع تعیینشده پیروی میکند.
اشباع اینورتر در زمان 0.6 ثانیه
در زمان 0.6 ثانیه، ولتاژ خروجی اینورتر دیگر برای ادامه افزایش سرعت کافی نیست. در نتیجه اینورتر وارد ناحیه اشباع میشود. در این شرایط کنترلکننده دیگر قادر به دنبال کردن دقیق جریان مرجع نیست و اختلاف بین جریان واقعی و جریان مرجع افزایش پیدا میکند.
کاهش دقت کنترل جریان باعث کاهش گشتاور تولیدی موتور میشود و شتاب موتور کاهش مییابد. این نقطه زمانی اتفاق میافتد که سرعت موتور تقریباً به 1200 دور بر دقیقه رسیده است.
این نتیجه کاملاً با منحنی سرعت-گشتاور سیستم مطابقت دارد و نشان میدهد مدل شبیه سازی به درستی محدودیتهای عملکرد اینورتر را نمایش میدهد.
تغییر جهت دوران موتور
در زمان 1.2 ثانیه، سرعت مرجع از 2400 دور بر دقیقه به منفی 2400 دور بر دقیقه تغییر میکند. این تغییر به معنی درخواست چرخش موتور در جهت مخالف است.
کنترلکننده سرعت ابتدا گشتاور ترمزی ایجاد میکند تا سرعت موتور کاهش پیدا کند و سپس پس از رسیدن سرعت به صفر، موتور در جهت مخالف شروع به شتابگیری میکند.
بازگشت اینورتر به حالت عادی
در زمان 1.6 ثانیه، سرعت موتور به رمپ کاهش سرعت میرسد و شرایط کاری اینورتر دوباره وارد محدوده مجاز میشود. در نتیجه اشباع از بین رفته و کنترل جریان مجدداً عملکرد مناسبی پیدا میکند.
پس از خروج از ناحیه اشباع، موتور دوباره قادر است گشتاور مورد نیاز را تولید کرده و سرعت را مطابق فرمان کنترلکننده تنظیم کند.
تغییر بار مکانیکی
در زمان 2 ثانیه، بار مکانیکی از 11 نیوتنمتر به منفی 11 نیوتنمتر تغییر میکند. این تغییر باعث تغییر شرایط کاری موتور شده و سیستم کنترل باید خود را با شرایط جدید تطبیق دهد.
کنترلکننده PI با اصلاح جریانهای موتور تلاش میکند سرعت مرجع را حفظ کند و اثر تغییر بار را تا حد امکان جبران نماید.
اشباع مجدد اینورتر
در زمان 3 ثانیه، اینورتر بار دیگر به دلیل محدودیت ولتاژ وارد ناحیه اشباع میشود. مشابه حالت قبلی، کنترل جریان دچار افت عملکرد شده و گشتاور تولیدی کاهش پیدا میکند.
این رفتار نشان میدهد که محدودیت ولتاژ اینورتر یکی از مهمترین عوامل محدودکننده عملکرد سیستمهای محرکه الکتریکی در سرعتهای بالا است.
مقایسه مدل دقیق و مدل میانگین
یکی از مهمترین اهداف این شبیه سازی، بررسی میزان تطابق مدل میانگین با مدل دقیق است. نتایج نشان میدهد که اگرچه مدل میانگین جزئیات مربوط به کلیدزنی اینورتر، ریپل جریان و پدیدههای سریع الکترونیک قدرت را حذف کرده است، اما در پیشبینی رفتار کلی موتور عملکرد بسیار مناسبی دارد.
پاسخ سرعت، تغییرات گشتاور، رفتار دینامیکی موتور و حتی واکنش سیستم در هنگام اشباع اینورتر در مدل میانگین شباهت بسیار زیادی به مدل دقیق دارد. این ویژگی باعث میشود مدل میانگین گزینهای مناسب برای طراحی کنترلکنندهها، تحلیل عملکرد سیستم و انجام شبیه سازیهای طولانی باشد.
مزایای استفاده از مدل میانگین
افزایش قابل توجه سرعت اجرای شبیه سازی
کاهش حجم محاسبات عددی
سادگی طراحی کنترلکننده
امکان اجرای تحلیلهای طولانی مدت
کاهش مصرف حافظه سیستم
حفظ دقت مناسب در تحلیل رفتار کلی موتور
مزایای مدل دقیق
نمایش دقیق کلیدزنی اینورتر
بررسی ریپل جریان و ولتاژ
تحلیل عملکرد نیمههادیهای قدرت
بررسی تلفات سوئیچینگ
مطالعه رفتار گذرا با دقت بالا
تحلیل دقیق شرایط اشباع اینورتر
کاربردهای این شبیه سازی
این شبیه سازی در طراحی سیستمهای محرکه الکتریکی، توسعه کنترلکنندههای موتورهای براشلس DC، آموزش دروس ماشینهای الکتریکی، الکترونیک قدرت و کنترل پیشرفته، تحلیل رفتار اینورترهای PWM و همچنین ارزیابی عملکرد موتورهای مغناطیس دائم در شرایط مختلف کاری کاربرد فراوانی دارد. علاوه بر این، مقایسه دو مدل مختلف به مهندسان کمک میکند تا با توجه به نیاز پروژه، بین سرعت شبیه سازی و دقت نتایج تعادل مناسبی برقرار کنند.
جمعبندی
این شبیه سازی نشان میدهد که هر دو مدل دقیق و میانگین قادر به بازتولید رفتار کلی درایو موتور براشلس DC هستند، اما هر یک کاربرد خاص خود را دارند. مدل دقیق برای تحلیلهای سطح پایین، بررسی عملکرد اینورتر و مطالعه پدیدههای گذرا مناسب است، در حالی که مدل میانگین با حفظ دقت قابل قبول، زمان اجرای شبیه سازی را به میزان چشمگیری کاهش میدهد. نتایج حاصل از این مقایسه نشان میدهد که مدل سادهشده میتواند در بسیاری از مراحل طراحی و توسعه سیستمهای کنترلی جایگزین مناسبی برای مدل دقیق باشد و فرآیند طراحی را سریعتر و کارآمدتر کند. لینک دانلود ویژه اعضا سایت
چرا مدل سادهشده با وجود حذف جزئیات، همچنان نتایج قابل قبولی ارائه میدهد؟
زیرا این مدل رفتار متوسط سیستم را حفظ میکند و برای تحلیل پاسخ دینامیکی، کنترل سرعت و گشتاور، دقت کافی را با زمان شبیهسازی بسیار کمتر فراهم میسازد.
در این شبیهسازی چه زمانی جهت چرخش موتور معکوس میشود؟
در زمان 1.2 ثانیه، مقدار سرعت مرجع از 2400 rpm به 2400- rpm تغییر میکند و موتور پس از کاهش سرعت، در جهت مخالف شروع به چرخش میکند.
مزیت اصلی مدل میانگین نسبت به مدل دقیق در این شبیهسازی چیست؟
مدل میانگین با حذف جزئیات کلیدزنی اینورتر، زمان اجرای شبیهسازی را بهطور قابلتوجهی کاهش میدهد، در حالی که دقت مناسبی در پیشبینی رفتار کلی سیستم حفظ میکند.
علت اشباع اینورتر در این شبیهسازی چیست؟
اشباع زمانی رخ میدهد که ولتاژ اینورتر برای تأمین ولتاژ موردنیاز موتور کافی نباشد؛ در نتیجه کنترل جریان دقت خود را از دست داده و گشتاور موتور کاهش مییابد.
چرا در این شبیهسازی از هر دو مدل دقیق و میانگین استفاده شده است؟
هدف، مقایسه دقت و سرعت اجرای شبیهسازی است تا مشخص شود مدل سادهشده تا چه اندازه میتواند رفتار مدل دقیق را بازتولید کند.