موتورهای براشلس DC یا BLDC (Brushless DC Motor) به دلیل راندمان بالا، طول عمر زیاد، نیاز کم به تعمیر و نگهداری، پاسخ دینامیکی سریع و قابلیت کنترل دقیق، امروزه در صنایع مختلف از جمله خودروهای الکتریکی، تجهیزات پزشکی، رباتیک، سیستم‌های هوافضا و اتوماسیون صنعتی کاربرد گسترده‌ای پیدا کرده‌اند. در بسیاری از کاربردهای صنعتی، حذف سنسورهای مکانیکی مانند سنسور هال یا انکودر از سیستم محرکه، موجب کاهش هزینه، افزایش قابلیت اطمینان و بهبود عملکرد در شرایط محیطی سخت می‌شود. به همین دلیل، استفاده از روش‌های کنترل بدون سنسور یا Sensorless Control یکی از موضوعات مهم در حوزه کنترل ماشین‌های الکتریکی محسوب می‌شود.

در این شبیه سازی، عملکرد یک درایو موتور براشلس DC بدون سنسور در هنگام تنظیم سرعت بررسی می‌شود. این مدل بر پایه نمونه AC7 موجود در کتابخانه Specialized Power Systems توسعه یافته است، با این تفاوت که سیستم به جای استفاده از سنسور سرعت و سنسورهای اثر هال، از یک الگوریتم تخمین موقعیت و سرعت روتور استفاده می‌کند. به این ترتیب، اطلاعات مورد نیاز کنترل‌کننده تنها از روی ولتاژها و جریان‌های ترمینال موتور استخراج می‌شود و دیگر نیازی به تجهیزات اندازه‌گیری مکانیکی وجود ندارد.

معرفی ساختار سیستم

مدل ارائه‌شده یک درایو موتور براشلس DC بدون سنسور به همراه چاپر ترمز برای یک موتور سه اسب بخار را شبیه سازی می‌کند. در نسخه اصلی بلوک AC7 از سنسور سرعت و سنسورهای هال برای تعیین موقعیت روتور استفاده می‌شود، اما در این مدل این تجهیزات حذف شده‌اند و اطلاعات موقعیت و سرعت روتور توسط یک ناظر ولتاژ ضد محرکه یا Back-EMF Observer تخمین زده می‌شود.

در این روش، ولتاژها و جریان‌های اندازه‌گیری شده موتور به عنوان ورودی ناظر مورد استفاده قرار می‌گیرند. سپس با استفاده از مدل ریاضی موتور، مقدار ولتاژ ضد محرکه تخمین زده شده و از روی آن موقعیت لحظه‌ای روتور استخراج می‌شود. پس از تعیین موقعیت روتور، سیگنال‌های کموتاسیون که معادل خروجی سنسورهای اثر هال هستند، هر 60 درجه الکتریکی تولید شده و برای کنترل اینورتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

موتور سنکرون مغناطیس دائم با ولتاژ ضد محرکه ذوزنقه‌ای

ماشین مورد استفاده در این شبیه سازی، یک موتور سنکرون مغناطیس دائم با ولتاژ ضد محرکه ذوزنقه‌ای است که رفتار آن مشابه موتورهای براشلس DC می‌باشد. این نوع موتور دارای آهنرباهای دائم روی روتور بوده و سیم‌پیچ‌های سه فاز روی استاتور قرار دارند. شکل موج ولتاژ ضد محرکه در این موتور به صورت ذوزنقه‌ای بوده و همین ویژگی باعث می‌شود استراتژی کنترل آن نسبت به موتورهای PMSM سینوسی متفاوت باشد.

وجود آهنرباهای دائم موجب حذف تلفات ناشی از سیم‌پیچی روتور شده و راندمان موتور را افزایش می‌دهد. علاوه بر این، چگالی توان بالا و پاسخ سریع گشتاور از دیگر ویژگی‌های مهم این نوع موتور محسوب می‌شوند.

اینورتر منبع ولتاژ PWM

تغذیه موتور توسط یک اینورتر منبع ولتاژ PWM انجام می‌شود که با استفاده از بلوک Universal Bridge در محیط Simulink ساخته شده است. این اینورتر وظیفه تبدیل ولتاژ DC باس به ولتاژ سه فاز مورد نیاز موتور را بر عهده دارد. کلیدهای قدرت اینورتر بر اساس سیگنال‌های تولید شده توسط کنترل‌کننده روشن و خاموش می‌شوند و در نتیجه ولتاژ مناسب در هر لحظه به سیم‌پیچ‌های موتور اعمال می‌شود.

روش PWM علاوه بر کاهش اعوجاج جریان، امکان کنترل دقیق ولتاژ مؤثر اعمالی به موتور را نیز فراهم می‌کند. در نتیجه عملکرد دینامیکی سیستم نسبت به روش‌های ساده کموتاسیون بهبود قابل توجهی پیدا می‌کند.

کنترل سرعت با استفاده از تنظیم‌کننده PI

یکی از مهم‌ترین بخش‌های این شبیه سازی، حلقه کنترل سرعت است. در این حلقه، سرعت مرجع با سرعت واقعی یا تخمین زده شده مقایسه می‌شود و خطای حاصل وارد یک کنترل‌کننده PI می‌شود. خروجی این کنترل‌کننده مقدار گشتاور مرجع مورد نیاز موتور را تعیین می‌کند.

استفاده از کنترل‌کننده PI به دلیل سادگی، پایداری مناسب و عملکرد قابل قبول، همچنان یکی از رایج‌ترین روش‌های کنترل سرعت در درایوهای صنعتی محسوب می‌شود. این کنترل‌کننده قادر است خطای ماندگار را حذف کرده و سرعت موتور را با دقت مناسبی روی مقدار مرجع نگه دارد.

کنترل جریان سه فاز

پس از تولید گشتاور مرجع، بلوک کنترل جریان وظیفه محاسبه جریان‌های مرجع سه فاز را بر عهده دارد. این جریان‌ها به گونه‌ای تولید می‌شوند که با ولتاژ ضد محرکه موتور هم‌فاز باشند. در نتیجه، بیشترین گشتاور ممکن با کمترین میزان جریان تولید خواهد شد.

کنترل‌کننده جریان سه فاز با مقایسه جریان‌های واقعی و جریان‌های مرجع، سیگنال‌های مناسب PWM را برای اینورتر تولید می‌کند. این ساختار باعث می‌شود پاسخ جریان بسیار سریع بوده و تغییرات بار یا سرعت به سرعت جبران شوند.

برآورد موقعیت و سرعت روتور

یکی از مهم‌ترین بخش‌های این شبیه سازی، الگوریتم تخمین سرعت و موقعیت روتور است. در سیستم‌های بدون سنسور، امکان اندازه‌گیری مستقیم زاویه روتور وجود ندارد؛ بنابراین باید این اطلاعات از روی متغیرهای الکتریکی موتور استخراج شوند.

در این مدل، ناظر ولتاژ ضد محرکه با استفاده از ولتاژها و جریان‌های استاتور، مؤلفه‌های Back-EMF را محاسبه می‌کند. سپس زاویه روتور از این اطلاعات استخراج شده و هر 60 درجه الکتریکی سیگنال‌های معادل سنسورهای هال تولید می‌شوند. این روش علاوه بر کاهش هزینه سخت‌افزار، قابلیت اطمینان سیستم را نیز افزایش می‌دهد زیرا دیگر خرابی سنسورها عملکرد سیستم را مختل نخواهد کرد.

سیگنال‌های خروجی قابل مشاهده

در این شبیه سازی امکان مشاهده مجموعه‌ای از سیگنال‌های مهم سیستم فراهم شده است. از جمله مهم‌ترین خروجی‌ها می‌توان به جریان موتور، سرعت مرجع، سرعت واقعی، سرعت تخمین زده شده، گشتاور الکترومغناطیسی، ولتاژ باس DC و همچنین مقادیر مرجع سرعت و گشتاور اشاره کرد. این اطلاعات امکان تحلیل دقیق عملکرد کنترل‌کننده و کیفیت تخمین موقعیت روتور را فراهم می‌کنند.

تحلیل عملکرد سیستم در طول شبیه سازی

مرحله اول: راه‌اندازی موتور

در ابتدای شبیه سازی و در زمان صفر ثانیه، مقدار مرجع سرعت برابر 300 دور بر دقیقه تنظیم می‌شود. موتور از حالت سکون شروع به حرکت کرده و مشاهده می‌شود که سرعت موتور به صورت بسیار دقیق از شیب تعیین‌شده برای افزایش سرعت پیروی می‌کند. این موضوع نشان‌دهنده عملکرد مناسب کنترل‌کننده سرعت و پاسخ سریع حلقه کنترل جریان است.

در این مرحله، جریان راه‌اندازی موتور افزایش یافته و گشتاور لازم برای شتاب‌گیری تولید می‌شود. با نزدیک شدن سرعت واقعی به مقدار مرجع، جریان و گشتاور نیز به تدریج کاهش یافته و موتور وارد حالت پایدار می‌شود.

مرحله دوم: اعمال بار کامل

در زمان 0.5 ثانیه، گشتاور بار کامل به موتور اعمال می‌شود. در این لحظه افزایش ناگهانی بار موجب ایجاد یک افت جزئی در سرعت موتور می‌شود. کنترل‌کننده PI این کاهش سرعت را تشخیص داده و با افزایش گشتاور مرجع، جریان موتور را افزایش می‌دهد تا افت سرعت جبران شود.

پس از مدت زمان بسیار کوتاهی، سرعت موتور دوباره به مقدار مرجع بازگشته و سیستم وارد حالت پایدار جدید می‌شود. این رفتار نشان می‌دهد که کنترل‌کننده دارای پایداری مناسب و پاسخ گذرای مطلوب است.

مرحله سوم: توقف موتور

در زمان یک ثانیه، مقدار مرجع سرعت به صفر تغییر داده می‌شود. موتور وارد مرحله کاهش سرعت شده و مشاهده می‌شود که سرعت واقعی دقیقاً از شیب کاهش سرعت تعیین‌شده تبعیت می‌کند. در این فرآیند، چاپر ترمز نقش مهمی در جذب انرژی بازیافتی موتور و کنترل ولتاژ باس DC ایفا می‌کند.

در پایان فرآیند ترمزگیری، سرعت موتور بدون نوسان قابل توجه به صفر رسیده و سیستم در حالت توقف کامل قرار می‌گیرد.

نمونه‌برداری کنترل‌کننده‌ها

برای نزدیک شدن رفتار مدل به عملکرد واقعی یک درایو صنعتی، تمامی بخش‌های سیستم به صورت گسسته پیاده‌سازی شده‌اند. سیستم قدرت با گام زمانی 2 میکروثانیه شبیه سازی می‌شود. کنترل‌کننده سرعت دارای زمان نمونه‌برداری 140 میکروثانیه بوده و کنترل‌کننده جریان با زمان نمونه‌برداری 20 میکروثانیه عمل می‌کند. این مقادیر مطابق با عملکرد میکروکنترلرهای صنعتی انتخاب شده‌اند و امکان بررسی دقیق رفتار دیجیتال سیستم را فراهم می‌کنند.

مزایای استفاده از کنترل بدون سنسور

کنترل بدون سنسور در موتورهای براشلس DC مزایای متعددی دارد که مهم‌ترین آن‌ها حذف سنسورهای مکانیکی، کاهش هزینه ساخت، افزایش قابلیت اطمینان، کاهش حجم سیستم، ساده‌تر شدن سیم‌کشی، کاهش احتمال خرابی ناشی از شرایط محیطی و افزایش عمر مفید تجهیزات است. همچنین در بسیاری از کاربردهای صنعتی که نصب سنسور امکان‌پذیر نیست، این روش تنها گزینه قابل استفاده محسوب می‌شود.

البته عملکرد الگوریتم‌های Sensorless در سرعت‌های بسیار پایین معمولاً با چالش‌هایی همراه است، زیرا مقدار ولتاژ ضد محرکه در این شرایط بسیار کوچک بوده و تخمین موقعیت روتور دشوارتر می‌شود. به همین دلیل، توسعه روش‌های دقیق‌تر تخمین موقعیت همچنان یکی از زمینه‌های فعال پژوهشی در حوزه ماشین‌های الکتریکی به شمار می‌رود.

جمع‌بندی

این شبیه سازی یکی از نمونه‌های پیشرفته کنترل موتورهای براشلس DC بدون استفاده از سنسورهای مکانیکی را ارائه می‌دهد. استفاده از ناظر ولتاژ ضد محرکه برای تخمین سرعت و موقعیت روتور، به همراه کنترل‌کننده PI و کنترل جریان سه‌فاز، موجب دستیابی به عملکردی دقیق، پایدار و سریع در شرایط مختلف کاری شده است. نتایج شبیه سازی نشان می‌دهد که سیستم قادر است تغییرات سرعت مرجع، اعمال بار ناگهانی و فرآیند توقف موتور را با دقت بالا مدیریت کند. همچنین پیاده‌سازی این مدل در محیط Matlab و Simulink فرصت مناسبی برای دانشجویان، پژوهشگران و مهندسان فراهم می‌کند تا مفاهیم کنترل بدون سنسور، تخمین موقعیت روتور، کنترل جریان و طراحی درایوهای موتورهای براشلس DC را به صورت عملی بررسی و تحلیل کنند.