موتورهای سنکرون مغناطیس دائم (Permanent Magnet Synchronous Motor یا PMSM) به دلیل راندمان بالا، چگالی توان مناسب، پاسخ دینامیکی سریع و قابلیت کنترل دقیق، به یکی از مهم‌ترین گزینه‌ها در سامانه‌های محرکه الکتریکی مدرن تبدیل شده‌اند. این موتورها در صنایع مختلف از جمله خودروهای برقی، ماشین‌آلات صنعتی، تجهیزات هوافضا، رباتیک و سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر کاربرد گسترده‌ای دارند. یکی از پیشرفته‌ترین انواع این موتورها، موتور سنکرون مغناطیس دائم داخلی (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor یا IPMSM) است که به دلیل ساختار ویژه روتور، قابلیت تولید گشتاور بیشتر و عملکرد مطلوب در سرعت‌های بالا را فراهم می‌کند. در این شبیه سازی به بررسی مدل AC6 مربوط به یک موتور سنکرون مغناطیس دائم داخلی 100 کیلووات پرداخته می‌شود که با استفاده از کنترل برداری و تکنیک تضعیف شار در محیط Matlab/Simulink مدل‌سازی شده است.

معرفی موتور سنکرون مغناطیس دائم داخلی

در بسیاری از مدل‌های اولیه PMSM فرض می‌شود که آهنرباهای دائم روی سطح روتور نصب شده‌اند. در این ساختار فاصله هوایی یکنواخت بوده و اندوکتانس‌های محور مستقیم و محور متعامد برابر هستند؛ یعنی Ld و Lq مقدار یکسانی دارند. اما در موتورهای IPMSM آهنرباها در داخل روتور قرار گرفته‌اند و همین موضوع باعث ایجاد خاصیت سالینسی یا برجستگی مغناطیسی در روتور می‌شود. در نتیجه مقدار Lq از Ld بزرگ‌تر خواهد بود.

وجود این اختلاف اندوکتانس سبب ایجاد گشتاور رلوکتانسی در کنار گشتاور مغناطیس دائم می‌شود. بنابراین موتور علاوه بر انرژی مغناطیسی آهنرباها، از اختلاف انرژی مغناطیسی دو محور نیز برای تولید گشتاور استفاده می‌کند. این ویژگی موجب افزایش بازده، بهبود توان خروجی و توسعه محدوده عملکرد موتور در سرعت‌های بالا خواهد شد.

اهمیت کنترل برداری در موتورهای IPMSM

کنترل برداری یا Field Oriented Control یکی از پیشرفته‌ترین روش‌های کنترل موتورهای AC محسوب می‌شود. در این روش جریان استاتور به دو مؤلفه Id و Iq تجزیه می‌شود. مؤلفه Iq مسئول تولید گشتاور بوده و مؤلفه Id وظیفه کنترل شار مغناطیسی را بر عهده دارد.

در موتورهای PMSM سطحی معمولاً مقدار Id برابر صفر در نظر گرفته می‌شود زیرا نیازی به ایجاد شار اضافی وجود ندارد. اما در موتورهای IPMSM به علت وجود گشتاور رلوکتانسی، مقدار Id به صورت بهینه تنظیم می‌شود تا ضمن افزایش راندمان، بیشترین گشتاور ممکن با کمترین جریان استاتور تولید گردد.

ساختار مدل شبیه سازی

مدل AC6 از نسخه اصلاح‌شده کتابخانه Specialized Power Systems در Simulink استفاده می‌کند و یک سیستم محرکه کامل شامل موتور، اینورتر، کنترل‌کننده برداری و کنترل‌کننده سرعت را مدل‌سازی می‌کند. این مجموعه امکان تحلیل دقیق رفتار موتور در شرایط مختلف کاری را فراهم می‌سازد.

مشخصات موتور

در این شبیه سازی از یک موتور سنکرون مغناطیس دائم داخلی با توان نامی 100 کیلووات استفاده شده است. ولتاژ لینک DC برابر 288 ولت بوده و سرعت نامی موتور 3000 دور بر دقیقه است، در حالی که حداکثر سرعت عملکرد آن به 12500 دور بر دقیقه می‌رسد. موتور دارای هشت قطب بوده و آهنرباها در داخل روتور قرار گرفته‌اند تا خاصیت سالینسی ایجاد شود.

در این مدل سیستم مکانیکی به صورت خارجی مدل شده است؛ بنابراین ورودی موتور سرعت مکانیکی بوده و خروجی آن گشتاور الکترومغناطیسی تولید شده خواهد بود.

اجزای اصلی سیستم

موتور الکتریکی

قلب سیستم یک موتور PMSM داخلی 100 کیلووات است که به دلیل ساختار روتور خود قادر است علاوه بر گشتاور ناشی از آهنرباهای دائم، از گشتاور رلوکتانسی نیز بهره ببرد. این ویژگی باعث افزایش راندمان و عملکرد مناسب در سرعت‌های بالا می‌شود.

اینورتر سه فاز

تغذیه موتور توسط یک اینورتر منبع ولتاژ سه فاز انجام می‌شود که با استفاده از تکنیک PWM کنترل می‌شود. این اینورتر بر پایه بلوک Universal Bridge ساخته شده و ولتاژ DC را به ولتاژ AC سه فاز مورد نیاز موتور تبدیل می‌کند.

کنترل‌کننده برداری

کنترل‌کننده برداری وظیفه محاسبه جریان‌های مرجع سه فاز موتور را بر اساس گشتاور و شار درخواستی بر عهده دارد. سپس با استفاده از کنترل‌کننده جریان سه فاز، سیگنال‌های PWM لازم برای کلیدهای اینورتر تولید می‌شوند.

در شرایط عملکرد نامی، الگوریتم کنترل به گونه‌ای طراحی شده است که برای تولید گشتاور مورد نیاز، کمترین مقدار جریان استاتور مصرف شود. اما در سرعت‌های بالا که نیاز به تضعیف شار وجود دارد، دامنه و زاویه جریان تغییر می‌کند تا محدوده عملکرد موتور افزایش یابد.

کنترل‌کننده سرعت

کنترل‌کننده سرعت در این مدل در حالت کنترل گشتاور فعالیت می‌کند. مقدار شار مرجع متناسب با سرعت موتور تنظیم می‌شود تا فرآیند تضعیف شار به صورت خودکار انجام گیرد و موتور بتواند بدون افزایش بیش از حد ولتاژ داخلی در سرعت‌های زیاد نیز به کار خود ادامه دهد.

بلوک محدودکننده گشتاور

یکی از مهم‌ترین بخش‌های این مدل، محدودکننده گشتاور است. در صورتی که سرعت موتور افزایش یابد و ولتاژ داخلی ماشین به ولتاژ خروجی اینورتر نزدیک شود، اینورتر وارد ناحیه اشباع خواهد شد. در چنین شرایطی دیگر جریان مرجع به طور کامل قابل اعمال نیست و دقت کنترل کاهش پیدا می‌کند.

برای جلوگیری از این وضعیت، بلوک محدودکننده گشتاور مقدار گشتاور مرجع را مطابق منحنی گشتاور-سرعت موتور کاهش می‌دهد تا اینورتر همواره در محدوده کاری مجاز باقی بماند.

تحلیل نتایج شبیه سازی

در نخستین آزمایش، مقدار گشتاور مرجع برابر 256 نیوتن‌متر که همان گشتاور نامی موتور است انتخاب می‌شود. در لحظه شروع شبیه سازی، موتور با سرعت بسیار بالا به مقدار مرجع رسیده و گشتاور الکترومغناطیسی تقریباً بدون نوسان از مقدار درخواستی پیروی می‌کند.

با افزایش سرعت و عبور از مقدار نامی 3000 دور بر دقیقه، الگوریتم تضعیف شار فعال می‌شود. در این مرحله مقدار جریان Id به سمت مقادیر منفی افزایش پیدا می‌کند تا شار مغناطیسی کاهش یافته و نیروی ضد محرکه یا BEMF محدود شود. همزمان برای جلوگیری از اشباع اینورتر، مقدار گشتاور مرجع کاهش یافته و مؤلفه Iq نیز کمتر می‌شود.

نکته قابل توجه آن است که مقدار کلی جریان تقریباً ثابت باقی می‌ماند و تنها زاویه بردار جریان تغییر می‌کند. این ویژگی یکی از مزایای اصلی کنترل برداری در موتورهای IPMSM محسوب می‌شود.

بررسی عملکرد در گشتاور مرجع 100 نیوتن‌متر

در آزمایش دوم، گشتاور مرجع به 100 نیوتن‌متر کاهش داده می‌شود. در این وضعیت کنترل‌کننده بهترین ترکیب جریان‌های Id و Iq را انتخاب می‌کند تا کمترین جریان ممکن برای تولید این گشتاور مورد استفاده قرار گیرد.

پس از عبور سرعت از مقدار نامی، مجدداً فرآیند تضعیف شار آغاز شده و مؤلفه Id منفی افزایش پیدا می‌کند. در ادامه و با افزایش بیشتر سرعت، محدودیت منحنی گشتاور-سرعت باعث کاهش گشتاور مرجع شده و مقدار Iq نیز کاهش می‌یابد. با وجود این تغییرات، دامنه جریان تقریباً ثابت مانده و تنها زاویه آن تغییر می‌کند.

نتایج نشان می‌دهد حتی در ناحیه تضعیف شار نیز گشتاور الکترومغناطیسی با دقت بسیار بالایی از مقدار مرجع تبعیت می‌کند که بیانگر عملکرد مناسب الگوریتم کنترل برداری است.

سیگنال‌های قابل مشاهده در شبیه سازی

در خروجی مدل مجموعه‌ای کامل از متغیرهای مهم موتور قابل مشاهده است. این متغیرها شامل گشتاور الکترومغناطیسی، گشتاور مرجع، سرعت روتور، توان مکانیکی، جریان‌های استاتور، مؤلفه‌های Id و Iq، ولتاژهای Vd و Vq و همچنین دامنه ولتاژ و جریان استاتور هستند. بررسی همزمان این سیگنال‌ها امکان تحلیل دقیق عملکرد سیستم کنترلی را فراهم می‌کند.

تنظیمات زمانی شبیه سازی

برای دستیابی به دقت بالا، سیستم قدرت با گام زمانی 2 میکروثانیه گسسته‌سازی شده است. کنترل‌کننده سرعت با دوره نمونه‌برداری 140 میکروثانیه و کنترل‌کننده برداری با دوره نمونه‌برداری 20 میکروثانیه اجرا می‌شوند. این تنظیمات شرایط عملکرد یک میکروکنترلر صنعتی واقعی را با دقت مناسبی شبیه‌سازی می‌کنند و امکان ارزیابی عملکرد الگوریتم‌های کنترلی را در شرایط نزدیک به پیاده‌سازی عملی فراهم می‌سازند.

جمع‌بندی

این شبیه سازی یکی از نمونه‌های پیشرفته کنترل موتورهای سنکرون مغناطیس دائم داخلی در محیط Matlab/Simulink محسوب می‌شود. استفاده از کنترل برداری، تضعیف شار، کنترل بهینه جریان و محدودسازی هوشمند گشتاور باعث شده است موتور در تمامی محدوده‌های سرعت، عملکردی پایدار، دقیق و با راندمان بالا داشته باشد. همچنین بهره‌گیری از ساختار روتور سالینت و تولید همزمان گشتاور مغناطیسی و رلوکتانسی موجب افزایش توانایی موتور در سرعت‌های بالا و بهبود بهره‌وری سیستم شده است. این مدل می‌تواند مرجع مناسبی برای دانشجویان، پژوهشگران و مهندسان برق در زمینه طراحی، تحلیل و توسعه سیستم‌های محرکه الکتریکی مبتنی بر موتورهای IPMSM باشد.