در این شبیه‌سازی، یک سامانه تست دینامومتر برای خودروهای الکتریکی مدل‌سازی می‌شود که هدف آن بررسی رفتار دینامیکی و عملکرد کنترلی ماشین‌های الکتریکی تحت شرایط بارگذاری واقعی است. این سیستم شامل یک موتور آسنکرون (ASM) و یک موتور سنکرون مغناطیس دائم داخلی (IPMSM) است که به‌صورت پشت‌به‌پشت و از طریق یک شفت مکانیکی به یکدیگر متصل شده‌اند. چنین ساختاری در صنایع خودروسازی و آزمایشگاه‌های تحقیقاتی برای ارزیابی عملکرد موتورهای الکتریکی، تحلیل راندمان، و طراحی کنترل‌کننده‌های پیشرفته به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در این مدل، موتور آسنکرون 164 کیلوواتی نقش تولید بار مکانیکی را بر عهده دارد، در حالی که موتور IPMSM با توان 35 کیلووات به عنوان ماشین تحت آزمون عمل می‌کند. هر دو ماشین از طریق باتری‌های ولتاژ بالا و مبدل‌های سه‌فاز کنترل‌شده تغذیه می‌شوند که امکان کنترل دقیق جریان و گشتاور را فراهم می‌سازد. این ساختار باعث می‌شود شرایط تست بسیار نزدیک به شرایط واقعی عملکرد خودروهای الکتریکی باشد.

ساختار کلی سیستم دینامومتر

سیستم شبیه‌سازی‌شده از چند زیرسیستم اصلی تشکیل شده است. این زیرسیستم‌ها شامل بخش ماشین تحت آزمون (IPMSM)، ماشین بار (ASM)، مبدل‌های قدرت، سیستم کنترل، و بخش نمایش نتایج هستند. ارتباط بین این اجزا به‌گونه‌ای طراحی شده است که جریان انرژی به‌صورت دوطرفه و کنترل‌شده بین منابع الکتریکی و مکانیکی برقرار باشد.

در این ساختار، انرژی الکتریکی از باتری‌ها به مبدل‌های سه‌فاز اعمال شده و سپس به ماشین‌های الکتریکی منتقل می‌شود. ماشین IPMSM انرژی الکتریکی را به گشتاور مکانیکی تبدیل می‌کند، در حالی که ماشین ASM این گشتاور را جذب کرده و به‌عنوان بار دینامیکی عمل می‌کند. این تعامل باعث ایجاد شرایط تست پایدار و قابل کنترل می‌شود.

مدل‌سازی ماشین آسنکرون (ASM)

ماشین آسنکرون 164 کیلوواتی در این شبیه‌سازی نقش بار دینامیکی را دارد. این ماشین از طریق کنترل سرعت تنظیم می‌شود تا بتواند شرایط بار مختلفی را بر روی ماشین تحت آزمون اعمال کند. کنترل این بخش معمولاً به‌صورت تک‌نرخ (Single Rate Control) پیاده‌سازی می‌شود تا پایداری سیستم حفظ گردد و پیچیدگی محاسباتی کاهش یابد.

مدل ریاضی ماشین ASM شامل معادلات جریان استاتور، شار مغناطیسی، و گشتاور الکترومغناطیسی است. این معادلات در چارچوب dq تحلیل شده و امکان کنترل دقیق سرعت و گشتاور را فراهم می‌کنند. در محیط :contentReference[oaicite:0]{index=0} و ابزارهای مرتبط مانند Simulink، این مدل‌ها به‌صورت بلوکی پیاده‌سازی می‌شوند.

مدل‌سازی ماشین سنکرون مغناطیس دائم داخلی (IPMSM)

ماشین IPMSM با توان 35 کیلووات به عنوان ماشین تحت آزمون در این شبیه‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ماشین به دلیل راندمان بالا، چگالی توان مناسب، و قابلیت کنترل دقیق گشتاور، در کاربردهای خودروهای الکتریکی بسیار محبوب است.

کنترل گشتاور این ماشین از طریق یک ساختار کنترل جریان حلقه بسته انجام می‌شود. در این ساختار، جریان‌های dq به‌صورت مستقل کنترل شده و گشتاور خروجی به مقدار مرجع تنظیم می‌شود. این روش امکان پاسخ‌دهی سریع و دقیق به تغییرات بار را فراهم می‌کند.

یکی از ویژگی‌های مهم این مدل، استفاده از ساختار کنترل چندنرخی (Multi-Rate Control) است. در این روش، حلقه کنترل جریان با نرخ بالاتر نسبت به حلقه کنترل گشتاور اجرا می‌شود. این اختلاف نرخ باعث افزایش پایداری سیستم و بهبود دقت کنترل می‌شود.

ساختار کنترل IPMSM

سیستم کنترل ماشین IPMSM شامل دو بخش اصلی است: کنترل جریان و کنترل گشتاور. در حلقه داخلی، جریان‌های استاتور در محورهای dq کنترل می‌شوند. این حلقه معمولاً با استفاده از کنترل‌کننده‌های PI طراحی می‌شود تا خطای حالت ماندگار حذف شود و پاسخ دینامیکی سریع حاصل گردد.

در حلقه بیرونی، کنترل گشتاور انجام می‌شود. این حلقه مقدار مرجع گشتاور را تولید کرده و به حلقه جریان ارسال می‌کند. نرخ اجرای این حلقه نسبت به حلقه داخلی کمتر است تا از بار محاسباتی سیستم کاسته شود و هماهنگی بهتری بین حلقه‌ها ایجاد گردد.

برای مدیریت زمان‌بندی اجرای این کنترل‌ها، از Stateflow برای طراحی ماشین حالت استفاده می‌شود. این ساختار امکان تعریف حالت‌های مختلف عملکرد سیستم و زمان‌بندی اجرای وظایف کنترلی را فراهم می‌کند. این ویژگی در سیستم‌های بلادرنگ بسیار اهمیت دارد.

کنترل ماشین بار (ASM)

ماشین آسنکرون به‌عنوان بار سیستم، توسط یک کنترل‌کننده سرعت تک‌نرخی مدیریت می‌شود. هدف این کنترل‌کننده، حفظ سرعت مشخص یا ایجاد پروفایل سرعت متغیر برای تست شرایط مختلف عملکرد موتور IPMSM است.

در این بخش، کنترل‌کننده PI نقش اصلی را ایفا می‌کند. این کنترل‌کننده با مقایسه سرعت واقعی و سرعت مرجع، گشتاور مناسب را تولید کرده و به ماشین ASM اعمال می‌کند. نتیجه این فرآیند ایجاد یک بار مکانیکی دقیق و قابل تنظیم برای ماشین تحت آزمون است.

مبدل‌های قدرت و سیستم تغذیه

هر دو ماشین IPMSM و ASM از طریق مبدل‌های سه‌فاز کنترل‌شده به باتری‌های ولتاژ بالا متصل هستند. این مبدل‌ها نقش مهمی در تنظیم ولتاژ، جریان، و فرکانس دارند. کنترل دقیق این مبدل‌ها امکان بهینه‌سازی عملکرد سیستم و کاهش تلفات انرژی را فراهم می‌کند.

مدل مبدل‌ها معمولاً شامل کلیدهای نیمه‌هادی، فیلترهای LC، و الگوریتم‌های PWM است. این اجزا در کنار هم شرایطی فراهم می‌کنند که توان الکتریکی به‌صورت کنترل‌شده بین منابع و ماشین‌ها تبادل شود.

زمان‌بندی و مدیریت وظایف کنترلی

یکی از بخش‌های مهم در این شبیه‌سازی، طراحی زمان‌بندی وظایف کنترلی است. در این سیستم از ترکیب کنترل چندنرخی و Stateflow استفاده شده است تا اجرای حلقه‌های کنترلی به‌صورت هماهنگ انجام شود. حلقه جریان با نرخ بالا اجرا شده و حلقه گشتاور و سرعت با نرخ پایین‌تر فعالیت می‌کنند.

این ساختار باعث می‌شود منابع محاسباتی بهینه استفاده شوند و در عین حال پایداری سیستم حفظ گردد. همچنین استفاده از ماشین حالت امکان مدیریت سناریوهای مختلف تست را فراهم می‌کند.

بخش نمایش و تحلیل نتایج

در این مدل، بخش Visualization شامل Scopeها و ابزارهای نمایش داده است که برای بررسی رفتار سیستم در طول زمان استفاده می‌شوند. این بخش امکان مشاهده تغییرات گشتاور، سرعت، جریان‌های dq، و ولتاژها را فراهم می‌کند.

تحلیل این داده‌ها به مهندسان اجازه می‌دهد عملکرد سیستم را ارزیابی کرده و در صورت نیاز پارامترهای کنترلی را تنظیم کنند. این فرآیند نقش مهمی در بهینه‌سازی طراحی نهایی سیستم دارد.

نتیجه‌گیری

این شبیه‌سازی یک چارچوب جامع برای تحلیل و ارزیابی عملکرد موتورهای الکتریکی در شرایط دینامومتر فراهم می‌کند. استفاده از ساختار پشت‌به‌پشت شامل ASM و IPMSM امکان ایجاد شرایط تست واقعی را فراهم کرده و طراحی کنترل چندنرخی نیز دقت و پایداری سیستم را افزایش داده است.

به‌کارگیری ابزارهای پیشرفته مدل‌سازی در :contentReference[oaicite:1]{index=1} باعث شده است که این سیستم به‌عنوان یک بستر مناسب برای تحقیق و توسعه در حوزه خودروهای الکتریکی مورد استفاده قرار گیرد. همچنین استفاده از Stateflow و کنترل PI نشان می‌دهد که چگونه می‌توان سیستم‌های پیچیده قدرت و کنترل را به‌صورت ساخت‌یافته و قابل توسعه طراحی کرد.