درایوهای موتور جریان مستقیم (DC Drive) یکی از سیستم‌های مهم در کاربردهای صنعتی هستند که به دلیل کنترل دقیق سرعت، گشتاور بالا در سرعت‌های پایین و پاسخ دینامیکی مناسب، در بسیاری از تجهیزات صنعتی، خطوط تولید، آسانسورها، ماشین‌آلات الکتریکی و سیستم‌های محرکه مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از روش‌های متداول برای کنترل سرعت موتورهای DC، استفاده از مبدل‌های الکترونیک قدرت مانند چاپرهای DC است که امکان تنظیم ولتاژ آرمیچر موتور را فراهم می‌کنند.

در این شبیه‌سازی، یک درایو موتور DC پنج اسب بخار با استفاده از چاپر تک‌ناحیه‌ای (One-Quadrant Chopper) و کنترل جریان به روش هیسترزیس مدل‌سازی شده است. این سیستم با استفاده از بلوک DC5 در محیط Specialized Power Systems نرم‌افزار Matlab/Simulink پیاده‌سازی شده و عملکرد موتور در شرایط مختلف تغییر سرعت مرجع و تغییر گشتاور بار مورد بررسی قرار می‌گیرد.

معرفی ساختار درایو DC تک‌ناحیه‌ای

مدل مورد بررسی شامل یک موتور DC تحریک جداگانه با توان نامی 5 HP است. در موتورهای تحریک جداگانه، مدار میدان و مدار آرمیچر به صورت مستقل تغذیه می‌شوند که این موضوع امکان کنترل دقیق‌تر سرعت و گشتاور موتور را فراهم می‌کند. در این سیستم، سیم‌پیچ میدان موتور توسط یک منبع ولتاژ DC ثابت با مقدار 150 ولت تغذیه می‌شود. ثابت نگه داشتن شار میدان باعث می‌شود که کنترل سرعت عمدتاً از طریق تغییر ولتاژ آرمیچر انجام شود.

ولتاژ آرمیچر موتور توسط یک مبدل DC-DC از نوع چاپر با ساختار Buck Converter تأمین می‌شود. این مبدل با استفاده از یک کلید قدرت IGBT عمل می‌کند و ولتاژ ورودی آن برابر 280 ولت DC است. با تغییر زمان روشن و خاموش بودن کلید IGBT، مقدار متوسط ولتاژ اعمالی به آرمیچر تغییر کرده و در نتیجه سرعت موتور کنترل می‌شود.

ساختار کنترل سرعت و جریان موتور

سیستم کنترل این درایو شامل دو حلقه اصلی کنترل است. حلقه اول مربوط به کنترل سرعت و حلقه دوم مربوط به کنترل جریان آرمیچر است. ترکیب این دو حلقه باعث می‌شود موتور بتواند در برابر تغییرات بار و تغییرات سرعت مرجع، عملکرد پایدار و سریع داشته باشد.

در حلقه کنترل سرعت از یک کنترل‌کننده تناسبی-انتگرالی (PI Controller) استفاده شده است. وظیفه این کنترل‌کننده مقایسه سرعت واقعی موتور با سرعت مرجع و تولید جریان مرجع آرمیچر است. خروجی کنترل‌کننده سرعت به صورت مقدار جریان مرجع بر واحد (per unit) تولید می‌شود و مشخص می‌کند که برای رسیدن به سرعت مطلوب، چه مقدار جریان آرمیچر مورد نیاز است.

پس از تولید جریان مرجع، این مقدار وارد کنترل‌کننده جریان هیسترزیس می‌شود. کنترل‌کننده هیسترزیس با مقایسه جریان واقعی آرمیچر و جریان مرجع، پالس‌های مناسب برای کلید IGBT را تولید می‌کند. هدف این کنترل‌کننده، نگه داشتن جریان آرمیچر در محدوده مشخصی از باند هیسترزیس است. زمانی که جریان از حد بالایی باند عبور کند، کلید خاموش شده و هنگامی که جریان به حد پایین برسد، کلید دوباره روشن می‌شود.

مزیت اصلی کنترل جریان هیسترزیس، پاسخ سریع و ساختار ساده آن است. این روش می‌تواند تغییرات ناگهانی بار را به سرعت جبران کرده و جریان موتور را در محدوده ایمن نگه دارد. همچنین از افزایش بیش از حد جریان آرمیچر که می‌تواند باعث آسیب به موتور یا تجهیزات قدرت شود جلوگیری می‌کند.

تأثیر اندوکتانس در عملکرد چاپر

فرکانس کلیدزنی IGBT در این سیستم به پارامترهای مدار آرمیچر، به ویژه مقدار اندوکتانس موتور و اندوکتانس خارجی سری شده با آرمیچر وابسته است. افزایش اندوکتانس باعث کاهش تغییرات سریع جریان و کاهش ریپل جریان آرمیچر می‌شود. در نتیجه جریان موتور نرم‌تر شده و عملکرد مکانیکی موتور بهبود پیدا می‌کند.

در شبیه‌سازی، انتخاب مناسب گام زمانی و پارامترهای مدار قدرت اهمیت زیادی دارد، زیرا رفتار کلیدزنی IGBT در بازه‌های زمانی بسیار کوتاه رخ می‌دهد و برای ثبت دقیق عملکرد سیستم باید با دقت مناسبی مدل‌سازی شود.

بررسی نتایج شبیه‌سازی در Matlab

پس از اجرای شبیه‌سازی، شکل موج‌های مختلفی مانند ولتاژ آرمیچر موتور، جریان آرمیچر، پالس‌های کنترلی IGBT، سرعت موتور و مقادیر مرجع سرعت و جریان قابل مشاهده هستند. این نتایج نشان می‌دهند که سیستم کنترل طراحی شده قادر است سرعت موتور را با دقت بالا دنبال کند.

در ابتدای شبیه‌سازی، سرعت مرجع موتور برابر 500 دور بر دقیقه تنظیم شده است. همچنین گشتاور بار اولیه مقدار 15 نیوتن‌متر دارد. سرعت مرجع توسط یک رمپ افزایشی با شیب 250 دور بر دقیقه بر ثانیه تغییر می‌کند تا از اعمال تغییر ناگهانی به سیستم جلوگیری شود. استفاده از رمپ سرعت باعث می‌شود جریان آرمیچر بیش از حد افزایش پیدا نکند و سیستم از نظر دینامیکی پایدار باقی بماند.

نتایج نشان می‌دهند که سرعت موتور به خوبی سرعت مرجع را دنبال کرده و در حدود زمان 2.5 ثانیه به حالت ماندگار می‌رسد. همچنین جریان آرمیچر با دقت بالا مقدار مرجع تولید شده توسط کنترل‌کننده سرعت را دنبال می‌کند و در محدوده باند هیسترزیس باقی می‌ماند.

بررسی تغییر گشتاور بار

در زمان 2.5 ثانیه، گشتاور بار موتور از مقدار 15 نیوتن‌متر به 20 نیوتن‌متر افزایش پیدا می‌کند. افزایش بار باعث کاهش لحظه‌ای سرعت موتور می‌شود، اما کنترل‌کننده سرعت این تغییر را تشخیص داده و مقدار جریان مرجع را افزایش می‌دهد.

برای ایجاد گشتاور الکترومغناطیسی بیشتر و جبران افزایش بار، جریان آرمیچر تا حدود 16.7 آمپر افزایش می‌یابد. افزایش جریان باعث افزایش گشتاور تولیدی موتور شده و سرعت دوباره به مقدار مرجع 500 دور بر دقیقه بازمی‌گردد. این فرآیند نشان‌دهنده عملکرد مناسب حلقه کنترل سرعت و جریان است.

تغییر سرعت مرجع و عملکرد دینامیکی سیستم

در زمان 3 ثانیه، سرعت مرجع موتور از 500 دور بر دقیقه به 350 دور بر دقیقه کاهش داده می‌شود. کنترل‌کننده سرعت با کاهش جریان آرمیچر باعث کاهش گشتاور الکترومغناطیسی موتور می‌شود. در نتیجه سرعت موتور مطابق شیب منفی سرعت مرجع کاهش پیدا می‌کند.

در این مرحله، گشتاور بار نیز به کاهش سرعت کمک می‌کند و موتور سریع‌تر به مقدار جدید سرعت مرجع می‌رسد. در حدود زمان 4 ثانیه، سرعت موتور در مقدار 350 دور بر دقیقه تثبیت شده و سیستم وارد حالت پایدار جدید می‌شود.

تنظیمات زمانی شبیه‌سازی

برای دستیابی به نتایج دقیق، سیستم قدرت با گام زمانی 4 میکروثانیه گسسته‌سازی شده است. این مقدار کوچک برای ثبت رفتار کلیدزنی IGBT و تغییرات سریع جریان در مدار قدرت انتخاب شده است.

در مقابل، بخش کنترل شامل کنترل‌کننده‌های سرعت و جریان با گام زمانی 100 میکروثانیه شبیه‌سازی شده است. این انتخاب مشابه عملکرد یک کنترل‌کننده دیجیتال مانند میکروکنترلر یا پردازنده کنترل صنعتی است که معمولاً با سرعت نمونه‌برداری پایین‌تر نسبت به مدار قدرت کار می‌کند.

همچنین برای کاهش حجم داده‌های ذخیره‌شده در Scope نرم‌افزار Matlab، ضریب Decimation برابر 5 در نظر گرفته شده است. این کار باعث کاهش تعداد نقاط ذخیره‌شده بدون تأثیر قابل توجه بر مشاهده رفتار کلی سیستم می‌شود.

کاربردهای شبیه‌سازی درایو DC با کنترل هیسترزیس

شبیه‌سازی این نوع سیستم‌ها در Matlab نقش مهمی در طراحی، تحلیل و بهینه‌سازی درایوهای الکتریکی دارد. مهندسان می‌توانند قبل از پیاده‌سازی عملی، رفتار موتور، کنترل‌کننده‌ها و تجهیزات قدرت را بررسی کرده و پارامترهای مختلف را تنظیم کنند.

از این مدل می‌توان برای مطالعه عملکرد موتورهای DC در کاربردهایی مانند جرثقیل‌ها، نوار نقاله‌های صنعتی، ماشین‌آلات تولیدی، سیستم‌های آزمایشگاهی و تجهیزات نیازمند کنترل دقیق سرعت استفاده کرد. همچنین این شبیه‌سازی یک نمونه مناسب برای بررسی تعامل بین الکترونیک قدرت، کنترل صنعتی و ماشین‌های الکتریکی در محیط Matlab/Simulink محسوب می‌شود.

در مجموع، مدل یک چاپر تک‌ناحیه‌ای برای موتور DC پنج اسب بخار با کنترل جریان هیسترزیس، نمونه‌ای کاربردی از طراحی یک سیستم محرکه الکتریکی کنترل‌شده است. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که ترکیب کنترل‌کننده PI سرعت و کنترل جریان هیسترزیس می‌تواند پاسخ سریع، محدودیت جریان مناسب و عملکرد پایدار در برابر تغییرات بار و سرعت مرجع ایجاد کند.