درایوهای موتور جریان مستقیم (DC Drive) یکی از سیستم‌های مهم در حوزه کنترل سرعت و کنترل گشتاور ماشین‌های الکتریکی هستند که به دلیل قابلیت کنترل دقیق سرعت، پاسخ دینامیکی مناسب و سادگی مدل‌سازی، در بسیاری از کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در این شبیه‌سازی، یک سیستم محرکه موتور DC پنج اسب بخار با استفاده از یک یکسوساز تک‌فاز دو ربعی مدل‌سازی شده است. هدف اصلی این مدل، بررسی عملکرد سیستم کنترل سرعت موتور DC و نحوه تنظیم ولتاژ آرمیچر توسط یک مبدل تریستوری کنترل‌شده است.

این سیستم با استفاده از بلوک DC1 در محیط Specialized Power Systems نرم‌افزار Matlab/Simulink پیاده‌سازی شده است. مدل ارائه‌شده یک درایو موتور DC دو ربعی را نمایش می‌دهد که قابلیت عملکرد در حالت موتور و همچنین بازگشت انرژی در شرایط خاص را دارد. در این ساختار، کنترل سرعت موتور با استفاده از دو حلقه کنترلی شامل کنترل‌کننده سرعت و کنترل‌کننده جریان انجام می‌شود که هرکدام نقش مهمی در ایجاد پاسخ سریع و پایدار سیستم دارند.

معرفی ساختار سیستم درایو DC دو ربعی

در این شبیه‌سازی، موتور DC با توان نامی پنج اسب بخار به صورت تحریک جداگانه مدل شده است. سیم‌پیچ تحریک موتور توسط یک منبع ولتاژ DC ثابت با مقدار 150 ولت تغذیه می‌شود. استفاده از تحریک جداگانه باعث می‌شود شار میدان موتور تقریباً ثابت باقی بماند و کنترل سرعت عمدتاً از طریق تغییر ولتاژ و جریان آرمیچر انجام شود.

ولتاژ مورد نیاز آرمیچر موتور توسط یک یکسوساز تک‌فاز کنترل‌شده تأمین می‌شود. ورودی این یکسوساز یک منبع ولتاژ متناوب 220 ولت با فرکانس 50 هرتز است که پس از عبور از یک ترانسفورماتور خطی، سطح ولتاژ آن افزایش پیدا می‌کند تا مقدار مناسب برای تغذیه مدار آرمیچر فراهم شود. در خروجی این مبدل، ولتاژ DC قابل تنظیمی تولید می‌شود که با تغییر زاویه آتش تریستورها می‌توان مقدار آن را کنترل کرد.

کنترل سرعت و جریان در موتور DC

یکی از ویژگی‌های مهم این شبیه‌سازی، استفاده از ساختار کنترل آبشاری شامل دو کنترل‌کننده PI است. در این ساختار، حلقه کنترل سرعت در قسمت بیرونی قرار دارد و وظیفه آن تنظیم سرعت موتور مطابق مقدار مرجع تعیین‌شده است. خروجی کنترل‌کننده سرعت، مرجع جریان آرمیچر را تولید می‌کند که نشان‌دهنده مقدار جریان مورد نیاز برای ایجاد گشتاور الکترومغناطیسی مناسب است.

پس از تولید مرجع جریان، این مقدار وارد حلقه کنترل جریان می‌شود. کنترل‌کننده جریان با مقایسه جریان واقعی آرمیچر و جریان مرجع، فرمان مناسب برای تغییر زاویه آتش تریستورهای یکسوساز را تولید می‌کند. با تغییر زاویه آتش، ولتاژ خروجی یکسوساز تغییر کرده و در نتیجه جریان آرمیچر و گشتاور موتور کنترل می‌شوند.

استفاده از کنترل‌کننده جریان در کنار کنترل‌کننده سرعت باعث می‌شود موتور بتواند در برابر تغییرات ناگهانی بار، واکنش مناسبی داشته باشد. حلقه جریان به دلیل سرعت بالاتر، تغییرات جریان را محدود کرده و از ایجاد جریان‌های بیش از حد که ممکن است باعث ناپایداری سیستم یا آسیب به موتور شود جلوگیری می‌کند.

تولید مرجع سرعت و جلوگیری از تغییرات ناگهانی

در سیستم‌های محرکه الکتریکی، اعمال ناگهانی تغییرات سرعت می‌تواند باعث افزایش شدید جریان آرمیچر و ایجاد تنش‌های مکانیکی شود. به همین دلیل در این شبیه‌سازی، تغییرات سرعت مرجع توسط یک رمپ شتاب‌گیری و کاهش سرعت کنترل می‌شود.

در مدل مورد بررسی، سرعت مرجع اولیه برابر با 1750 دور بر دقیقه تنظیم شده است. این مقدار به صورت تدریجی با نرخ افزایش 250 دور بر دقیقه بر ثانیه اعمال می‌شود تا موتور بدون ایجاد جریان اضافی بتواند به سرعت مورد نظر برسد. استفاده از این روش باعث افزایش پایداری سیستم و بهبود رفتار دینامیکی موتور در زمان راه‌اندازی می‌شود.

نقش سلف هموارکننده در مدار آرمیچر

به دلیل عملکرد پالسی یکسوسازهای تریستوری، جریان خروجی دارای ریپل و نوساناتی است که می‌تواند روی عملکرد موتور تأثیر منفی بگذارد. برای کاهش این نوسانات، یک سلف هموارکننده با مقدار 150 میلی‌هانری به صورت سری با مدار آرمیچر قرار داده شده است.

این سلف باعث کاهش تغییرات سریع جریان شده و جریان آرمیچر را به شکل یکنواخت‌تری عبور می‌دهد. در نتیجه، گشتاور تولیدی موتور نرم‌تر شده و پاسخ کنترل سرعت بهبود پیدا می‌کند. استفاده از عناصر فیلتر در سیستم‌های محرکه DC یکی از روش‌های رایج برای افزایش کیفیت عملکرد موتور است.

نتایج شبیه‌سازی سیستم در Matlab

پس از اجرای شبیه‌سازی، پارامترهای مختلفی مانند ولتاژ و جریان آرمیچر موتور، زاویه آتش تریستورهای یکسوساز، سرعت موتور و مقادیر مرجع جریان و سرعت در Scope نرم‌افزار Matlab قابل مشاهده هستند.

در ابتدای شبیه‌سازی، سرعت مرجع روی مقدار 1750 دور بر دقیقه تنظیم شده و گشتاور بار اولیه برابر با 15 نیوتن‌متر است. نتایج نشان می‌دهد که سرعت موتور با دقت مناسبی مسیر مرجع را دنبال می‌کند و پس از حدود 8.5 ثانیه به حالت پایدار می‌رسد.

در این شرایط، جریان آرمیچر نیز رفتار مناسبی داشته و مقدار واقعی جریان تقریباً مطابق مقدار مرجع جریان تغییر می‌کند. همچنین زاویه آتش تریستورها کمتر از 90 درجه باقی می‌ماند که نشان‌دهنده عملکرد یکسوساز در ناحیه اول کاری یا حالت موتور است. حد پایین زاویه آتش در این مدل برابر با 20 درجه در نظر گرفته شده است.

بررسی تغییرات گشتاور بار

یکی از آزمایش‌های مهم انجام‌شده در این شبیه‌سازی، بررسی عملکرد سیستم در برابر تغییر ناگهانی بار مکانیکی است. در زمان 8.75 ثانیه، گشتاور بار از مقدار 15 نیوتن‌متر به 20 نیوتن‌متر افزایش پیدا می‌کند.

با افزایش بار، سرعت موتور تمایل به کاهش دارد، اما سیستم کنترل با افزایش جریان مرجع آرمیچر واکنش نشان می‌دهد. جریان مورد نیاز تقریباً تا مقدار 17.5 آمپر افزایش پیدا می‌کند تا گشتاور الکترومغناطیسی بیشتری تولید شود و موتور بتواند دوباره سرعت 1750 دور بر دقیقه را حفظ کند.

نتایج نشان می‌دهد که کنترل‌کننده‌های PI عملکرد مناسبی در جبران تغییرات بار دارند و سرعت موتور پس از یک تغییر کوتاه‌مدت، در حدود 10 ثانیه دوباره به مقدار مرجع بازمی‌گردد. این رفتار نشان‌دهنده عملکرد مطلوب حلقه‌های کنترلی در شرایط کاری مختلف است.

تنظیمات محاسباتی شبیه‌سازی

برای افزایش دقت محاسبات، سیستم قدرت در این مدل با گام زمانی 25 میکروثانیه گسسته‌سازی شده است. از طرف دیگر، سیستم کنترل شامل کنترل‌کننده‌ها با گام زمانی 100 میکروثانیه شبیه‌سازی می‌شود تا شرایط یک سیستم کنترل دیجیتال مبتنی بر میکروکنترلر به صورت واقعی‌تر بررسی شود.

به منظور کاهش تعداد داده‌های ذخیره‌شده در حافظه Scope، از ضریب کاهش داده یا Decimation Factor برابر با 20 استفاده شده است. این تنظیم باعث کاهش حجم اطلاعات ذخیره‌شده بدون تأثیر قابل توجه بر نمایش نتایج اصلی می‌شود.

مدل ساده‌شده یکسوساز در شبیه‌سازی

در Matlab امکان استفاده از یک مدل ساده‌شده برای کاهش زمان اجرای شبیه‌سازی نیز وجود دارد. در این حالت، به جای مدل کامل یکسوساز، از مدل میانگین‌گیری‌شده (Average Value Model) استفاده می‌شود.

با انتخاب گزینه Average در بخش Model Detail Level، مدل یکسوساز با ساختاری ساده‌تر شبیه‌سازی خواهد شد. در این حالت می‌توان گام زمانی شبیه‌سازی را افزایش داد و آن را تا مقدار نمونه‌برداری سیستم کنترل یعنی 100 میکروثانیه تنظیم کرد. این روش برای تحلیل‌های کنترلی، طراحی اولیه سیستم و کاهش زمان محاسبات بسیار کاربردی است.

جمع‌بندی شبیه‌سازی درایو DC دو ربعی در Matlab

این شبیه‌سازی یک نمونه کامل از کنترل سرعت موتور DC پنج اسب بخار با استفاده از یکسوساز تک‌فاز تریستوری کنترل‌شده را ارائه می‌دهد. ساختار کنترل آبشاری شامل حلقه سرعت و جریان، امکان دستیابی به پاسخ سریع و دقیق را فراهم کرده است.

بررسی نتایج نشان می‌دهد که سیستم قادر است تغییرات سرعت مرجع و تغییرات بار مکانیکی را با عملکرد مناسب دنبال کند. استفاده از یکسوساز دو ربعی، کنترل‌کننده‌های PI، سلف هموارکننده و مدل‌سازی دقیق اجزای قدرت، این شبیه‌سازی را به یک نمونه کاربردی برای مطالعه سیستم‌های محرکه DC در محیط Matlab/Simulink تبدیل کرده است.