عنوان :

پروژه راه‌اندازی موتور BLDC با استفاده از DTC

تعداد صفحات :۱۰۳

نوع فایل : ورد و قابل ویرایش

چکیده

در این مقاله درباره راه‌اندازی موتور BLDC با استفاده از DTC
توضیح داده می شود. در این مقاله در فصل اول : موتورهای Dc بدون جاروبک(BLDC):در این بخش موتورهای DC بدون جاروبک مغناطیس دائم معرفی گردیده ویژگی‌ها ومزایای آن نسبت به موتورهای DC و القایی بکار رفته در‌ خودروهای برقی و هیبرید بیان گردیدند. سپس انواع مختلف این دسته از موتورها ذکر و خصوصیات هر یک بیان گردید.
موتور BLDC با پخش فضایی سینوسی هادی‌های استاتور و تغذیه سینوسی دارای ضربان گشتاور کمتر بوده و منجر به عملکرد نرم‌تر موتور می‌گردد. حال آن‌که در نوع تغذیه ورودی ذوزنقه‌ای، سیم‌بندی متمرکز استاتور سبب افزایش چگالی فلوی ذوزنقه‌ای و افزایش نسبت گشتاور بر واحد جرم‌آهن خواهد گردید. نوع IPM-BLDC دارای ساختار مکانیکی مقاومتر و حفاظت‌شده‌تر بوده و لذا برای کاربردهای با سرعت بالا نظیر خودروهای برقی و هیبرید که ناحیه توان ثابت وسیعی مورد نیاز است، قابل استفاده می‌باشد. خصوصیات پایه‌ای، اصول عملکرد و نیازهای کنترلی موتورهای BLDC مورد بحث قرار‌گرفتند. مقایسه بین موتور BLDC و موتور کموتاتور DC به درک عملکرد موتور BLDC کمک شایانی می‌کند. تکنولوژی الکترونیک قدرت به استفاده از موتورهای BLDC شتاب فراوانی بخشیده‌است و دامنه کاربردهای صنعتی آن به‌طور چشمگیری توسعه پیدا نموه‌اند.
در فصل دوم: به مدل‌سازی و شبیه‌سازی درایو الکتریکی موتور BLDC سه‌فاز می پردازد: در این گزارش، ابتدا به بررسی مدل‌های ارائه‌شده برای شبیه‌سازی رفتار درایو موتور BLDC(ذوزنقه‌ای) پرداخته‌شد. بیان گردید که به دلیل غیر سینوسی بودن متغیرهای موتور BLDC از روش کنترل میدان دوار و تبدیلات دو محوری مشابه آن‌چه برای موتور‌های القایی و سنکرون مرسوم است، نمی‌توان مستقیماً استفاده نمود. استفاده از روش مدل‌سازی هارمونیکی موتور حجم زیادی از محاسبات را می‌طلبد. علاوه‌بر آن اغلب این روش‌ها تصوییر روشنی از متغیر‌های جریان یا ولتاژ اینورتر منعکس نمی‌کنند. روش‌های بر مبنای تحلیل المان محدود نیز علاوه‌بر دارا بودن معادلات حجیم و پیچیده ریاضی، قادر به بیان رفتار سوئیچینگ سیستم درایو نیست و لذا درکاربردهای صنعتی چندان از آن استفاده نمی‌شود.
مدل‌سازی دینامیکی و تحلیل در حوزه زمان، روشی ساده، قابل فهم و قابل تعمیم به سایر موتورها و انواع موتورهای BLDC بوده که رفتار دینامیکی تمامی متغیرها شامل موتور، اینورتر و کنترل کننده را مدل می‌نماید. مدل‌سازی دینامیکی با استفاده از مفهوم توابع سوئیچینگ، ابزاری قدرتمند برای تحلیل مجموعه درایو موتور BLDC بوده که در این گزارش به‌طور مبسوط به آن پرداخته‌شد و مدل بدست‌آمده برای درایو موتور BLDC در محیط Matlab/Simulink شبیه‌سازی گردید. مزایای مدل‌سازی ارائه‌شده نسبت به سایر روش‌های مدل‌سازی و شبیه‌سازی متعارف به شکل زیر دسته‌بندی می‌گردد:
۱- عملکرد کلی سیستم درایو موتور BLDC شامل الگوریتم کنترل، اینورتر PWM و موتور به‌سادگی قابل دست‌یابی است.
۲- نیازی به دست‌آوردن معادلات حالت و یا به‌کاربردن رفتار حقیقی عناصر قدرت برای دیدن عملکرد مدار تبدیل توان نمی‌باشد.
۳- زمان انجام شبیه‌سازی به‌طور قابل ملاحظه‌ای کاهش یافته و مشکلات همگرایی موجود در دیگر روش‌ها، در این روش به حداقل می‌رسد.
۴- با توجه به ساختار مدولار مدل‌سازی، استراتژی‌های مختلف کنترلی به‌راحتی قابل تست‌کردن بوده و می‌توان با اندک تغییراتی، مدل بدست‌آمده را برای مدل‌سازی سایر موتورهای AC به‌کار برد.
۵- مقادیر متوسط و موثر متغیرهای سیستم به‌راحتی قابل تعیین بوده و عناصر اینورتر به‌راحتی انتخاب می‌گردند. مدل ما برای محاسبه اتلاف توان اینورتر نیز جوابگوست.
مقایسه نتایج شبیه‌سازی با نتایج سایر مقالات(که در بخش مراجع ذکر گردیده‌اند) نشان می‌دهد که نتایج شبیه‌سازی براساس مدل‌سازی بروش توابع سوئیچینگف نتایجی بس دقیق‌تر از نتایج سایر مقالات دارد. رفتار حالت‌گذار و پایای سیستم درایو برای اغلب متغیرهای سیستم در این روش بهتر از سایر مقالات قابل مشاهده است. پیاده‌سازی این روش نیز نسبت به سایر مقالات ساده‌تر بوده و این روش قدرت تحلیل بیشتری به طراح سیستم می‌دهد. همچنین به‌کارگیری برخی روش‌های دیگر نظیر روش کنترل در ناحیه کاهش شار، بهینه‌سازی ریپب گشتاور با استفاده از این روش مدل‌سازی به‌سادگی انجام‌پذیر است.
لذا با توجه به مطالب این گزارش، چنین به‌نظر می‌رسد که استفاده از مدل دینامیکی برمبنای توابع سوئیچینگ، روشی بسیار موثر و کارا برای مدل‌سازی درایو‌های الکتریکی مخصوصا درایو موتور BLDC بوده که به راحتی می‌توان پیچیدگی‌ سیستم را در آن مدل نمود. در این درس، شبیه‌سازی‌های انجام‌شده بر‌اساس مدل ارائه‌شده در این گزارش انجام خواهند گرفت.
در فصل سوم به تعریف زبانC می پردازد.
واژه های کلیدی: موتور BLDC، مدل سازی، زبانC

فهرست مطالب

فصل اول: موتورهای Dc بدون جاروبک(BLDC)
۱- تعریف موتور BLDC 1
۲- مزایا و معایب موتور BLDC 2
۳-ساختمان موتور BLDC 4
۳-۱-استاتور ۵
۳-۱-۱-موتور BLDC با تغذیه ولتاژ سینوسی (BLAC) 6
۳-۱-۲-موتور BLDC با تغذیه ولتاژ ورودی ذوزنقه‌ای ۷
۳-۲-روتور ۸
۳-۳-سنسورهای هال ۹
۴- مواد مغناطیس دائم ۱۰
۵- اصول عملکرد موتور BLDC 13
۵-۱-تبیین مفهوم کموتاسیون در یک موتور کموتاتورDC 13
۵-۲-مقایسه موتور BLDC با موتورهای DC و القایی ۱۸
۵-۳-کموتاسیون در موتورBLDC 19
۶-کنترل حلقه‌ بسته موتورBLDC 22
۷-نتیجه‌گیری ۲۴
فصل دوم: مدل‌سازی و شبیه‌سازی درایو الکتریکی موتور BLDC سه‌فاز
۱- مقدمه ۲۶
۲- بررسی مدلهای ارائه‌شده برای درایو موتور BLDC 27
۳- مدلسازی بر مبنای تابع سوئیچینگ ۲۸
۳-۱- ویژگیها ۲۸
۳-۲- تئوری عمومی تابع سوئیچینگ ۲۹
۳-۳- یک مثال: مدلسازی اینورتر VSI سه‌فاز SPWM بر مبنای توابع سوئیچینگ ۳۰
۴- مدلسازی درایو موتور BLDC بر مبنای تابع سوئیچینگ ۴۰
۴-۱- آنالیز سیستم درایو موتور BLDC 41
۴-۲- مدلسازی و پیاده‌سازی درایو موتور BLDC در محیط Matlab/ Simulink 45
۵- شبیه‌سازی درایو موتور BLDC 57
۶-نتیجه‌گیری ۶۶
فصل سوم:تعریف زبانC
۱- تعریف زبان C 68
۲- توصیف پایه های LCD 71
۳- انواع داده ها ۷۵
۴- متغیر ها ۷۵
۵- تعریف متغیرها ۷۶
۶- تعریف ثابتها ۷۶
۷- PWM چیست ؟ ۸۴
برنامه IC PWM 94
برنامه Main Controler 97
نتیجه گیری ۱۰۲
مراجع ۱۰۳

فهرست منابع

[۱]. C.C.Chan,” The State of the Art of Electric and Hybrid, Vehicles” Proceedings of the IEEE, vol. 90, NO. 2, February 2002, pp. 245-275
[۲]. S. Plotkin, D. Santini, A. Vyas, J. Anderson, M. Wang, J. He, and D. Bharathan; “Hydrid Electric Vehicle Technology Assessment: Methodology, Analytical Issues, and Interim Results”, Center for Transportation Research, Energy Systems Division, Argonne National Laboratory, ANL/ESD/02-2, October 2001, http://www.doe.gov/bridge.
[۳]. Jih-Sheng(Janson) Lai, “Electric Vehicles and powr electronics”, Presentation at Universidad Technica Federico Santa Maria Valparaiso, Chili, August 16.2001, Virginia Polytecnic Institute and State University Center for Power Electronics Systems.
[۴]. K. M. Rahman, and M. Ehsani, “Performance Analysis of Electric Motor Drives for Electric and Hybrid Electric Vehicle application”, Power Electronic in transportation. IEEE 1996, pp.49-56.
.

فصل اول:

موتورهای Dc بدون جاروبک(BLDC)

در این بخش در مورد ویژگی‌ها، انواع و اساس عملکرد موتورهای DC بدون جاروبک مغناطیس دائم (PM BLDC) بحث می‌گردد.

۱- تعریف موتور BLDC

موتور BLDC در مراجع مختلف دارای تعاریف متفاوتی می‌باشد. استاندارد انجمن ملی سازندگان تجهیزات الکتریکی (NEMA)ف موتور BLDC را این‌گونه تعریف می‌نماید:

یک موتور بدون جاروبک، ماشین دوار خود سنکرونی است که دارای روتور مغناطیس دائم بوده و از موقعیت‌های مشخصی از شافت دوار روتور، جهت کموتاسیون الکترونیکی استفاده می‌شود. این موتور می‌تواند همراه با درایوهای الکترونیکی مربوطه به‌صورت مجتمع باشد یا این‌که موتور از درایو مربوطه جدا باشد.

KUSKO نیز تعریف زیر را بیان می‌کند[۱۲]:

یک موتور که دارای سیم‌پیچی استاتور بوده و یک موتورم مغناطیس دائم برجسته از جنس آهن نرم دارد. سیم‌پیچ‌های استاتور از یک منبع تغذیه اولیه DC و به توسط یک ماتریس از سوئیچ‌های حالت جامد تغذیه گشته و عمل کنترل با استفاده اط سنسورهای وضعیت و با منطقی مشخص انجام می‌شود.در غیاب یک ریگلاتور، سرعت موتور متناسب با ولتاژ DC اولیه می‌باشد.

موتور BLDC اساساً دارای ساختاری مشابه یک مغناطیس دوار همراه با یک مجموعه از هادی‌های حامل جریان می‌باشد. از این‌نظر، مشابه با یک موتور کموتاتور DC معکوس شده نیز می‌باشد که مغناهطیس می‌چرخد اما هادی‌های جریان، ایستان باقی می‌مانند. در هر دو حالت، برای ثابت‌ماندن جهت گشتاور در یک جهت، جریان در هادی‌ها می‌بایست در هر زمان که یک قطب مغناطیسی از روبروی آن عبور می‌کند، پلاریته‌اش نیز معکوس شود. در یک موتور کموتاتور DC، معکوس شدن پلاریته با کموتاتور و جاروبک‌ها انجام می‌شود. چون کموتاتور نسبت به روتور ثابت می‌باشد، لحظات سوئیچ زنی به‌طور اتوماتیکن با تغییر پلاریته میدان مغناطیسی هادی‌ها سنکرون می‌گردد. در یک موتور BLDCف معکوس شدن پلاریته با کلید‌زنی ادوات الکترونیک قدرت انجام می‌گردد. پروسه‌ کموتاسیون در هر دو نوع ماشین، شبیه به هم بوده و سنکرون با وضعیت روتور می‌باشد و لذا معادلات دینامیکی مربوطه و مشخصه‌های سرعت-گشتاور آن‌ها یکسان می‌باشند.[۱۱٫۱۳].

۲- مزایا و معایب موتور BLDC

موتور‌های BLDC مغناطیس دائم که در صنایع اتومبیل‌سازی و هوافضا، مورد استفاده قرار‌می‌گیرند شامل مزایای ذیل می‌باشند[۱۴,۱۶]:

·نویز پایین: به‌دلیل عدم نیاز به هیچ‌گونه جاروبک مکانیکی یا حلقه‌های لغزان در موتور‌های مغناطیس دائم BLDC، تمام نویز‌های مکانیکی به استثنای نویزهای مربوط به بلبرینگ‌ها، کوپلینگ‌ها و بار حذف می‌شوند.
·بهره بالا: برای موتور‌های BLDC ثابت شده است که بالاترین بهره را در بین موتور‌های موجود دارند. بهره بالاتر موتور‌های BLDC در اصل بواسطه وجود میدان مغناطیس دائم موتور می‌باشد که میدانی پیوسته و ثابت بوده و مصرف توان الکتریکی ندارد. خصوصیت مهم دیگر مغناطیس‌ها، طول عمر درازشان می‌باشد که تحت شرایط کاری مناسب، ضریب مغناطیس‌زدایی پایینی دارند.
·کاهش ملزومات تحریک: همان‌طور که اشاره گردید مغناطیس‌های دائم یک میدان مغناطیسی ثابت ایجاد می‌کنند که بهره را با کاهش نیاز به ایجاد یک میدان تحریک الکترومغناطیسی که در دیگر انواع موتورها لازم است، افزایش می‌دهند.
·نگه‌داری کم و طول عمر بیشتر: چون هیچ جاروبک مکانیکی وجود ندارد و اثری از حلقه‌های لغزش نمی‌باشد، طول عمر موتور وابسته به طول عمر عایقی بلبرینگ‌ها و عمر مغناطیسی می‌باشد.
·سهولت در کنترل: در موتور BLDC، گشتاور خروجی مستقیماً متناسب با جریان موتور است که در نتیجه عمل کنترل به‌راحتی انجام می‌گردد. لذا بسیاری از سازندگان نیمه‌هادی‌ها، برای موتور‌های BLDC، ادوات نیمه هادی قدرت با مدارات درایو گیت در بسته‌های ۶تایی مجتمع طراحی می‌کنند تا نیازهای اینورتر درایو موتور را برآورده سازند و لذا قیمت کلی سیستم و درایو کاهش می‌یابد.
·ساختار مجتمع و متراکم: کاربردهای هوافضا و اتومبیل، نیاز به تجهیزات با وزن کمتر و حجم کوچکتری دارند تا بهره سوخت مصرفی را افزایش دهند و لذا نیاز به ذخیره‌سازی انرژی کمتری داشته‌باشند. اخیراً مواد مغناطیسی با دانسیته بالا نظیر سارماریوم-کبالت و نئودیمیم- آهن- بور (Nd Fe B) به بازار مصرف عرضه‌شده‌اند که دانسیته انرژی ماشین‌ را برای این کاربردها افزایش می‌دهند.

با وجود مزایای ذکر شده، این موتور‌ها دارای مشخصات و معایب ذاتی می‌باشند که عبارتند‌از:

·قیمت مواد مغناطیسی: قیمت‌های مواد مغناطیسی دائم با دانسیته انرژی بالاتر، مانع از استفاده از آن‌ها در کاربرهایی که قیمت و هزینه استفاده از این موارد بیشتر از ایجاد مزایای مذکور می‌باشد، می‌شود. به‌عنوان مثال سرامیک‌ها، کمترین قیمت را دارند و از طرفی دارای کمترین دانسیته انرژی نیز می‌باشند. مغناطیس دائم از نوع (Nd Fe B) بالاترین دانسیته انرژی را دارد که در حدود سه‌برابر قیمت سرامیک می‌باشد. مکنت ساماریوم-کبالت، دانسیته انرژی قابل مقایسه‌ای با مکنت (Nd Fe B) داشته ولی در حدود ۶ برابر سرامیک، قیمت دارد.
·احتمال مغناطیس زدایی: در استفاده از مواد مغناطیس دائم باید مراقبت زیادی در برابر مقادیر بالای نیروهای مغناطیس‌زدا و یا درجه حرارت‌ها بالا که می‌توانند اثر مغناطیسی مکنت را ازبین ببرندف به‌عمل آید.

علاوه‌بر موارد فوق می‌توان به خطرات ناشی از وقوع خطاهای اتصال کوتاه در مبدل برای سیم‌بندی‌های استاتور، ناحیه توان ثابت محدود و قابلت کم عملکرد در سرعت‌های بالا نیز اشاره نمود.

۳-ساختمان موتور BLDC

موتور‌های BLDC یک نوع خاص از موتورهای سنکرون می‌باشند. این مطلب به آن معناست که میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط استاتور و میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط روتور با فرکانسی واحد دوران می‌کنند. موتورهای BLDC فاقد پارامتری بنام لغزش، مشابه آن‌چه در موتورهای القایی مشاهده می‌شود هستند. موتورهای BLDC در ساختارهای تکفاز، دوفاز، سهفاز، پنج فاز و همچنین با تعداد فاز بالاتر وجود دارند. متناظر با هر یک از انواع مذکور، استاتور نیز به همان تعداد دارای سیم‌پیچ است. اما نوعی که فراگیر بوده و بیشتر مورد استفاده قرار‌می‌گیرد، نوع سه فاز می‌باشد. در ادامه به شرح اجزای اساسی تشکیل دهنده یک موتور BLDC پرداخته می‌شود.

۳-۱-استاتور

استاتور موتور BLDC شامل ورقه‌های فولادی دسته‌بندی شده‌ای است که به‌همراه سیم‌پیچ‌ها در اسلاتهایی جاسازی شده‌اند که دو سر آن‌ها در راستای محیط داخلی موتور قراردارند. شکل ۱ استاتور یک موتور BLDC را نمایش می‌دهد.

استاتور موتور BLDC شبیه به استاتور موتور القایی می‌باشد اما الگوی سیم‌بندی متفاوتی دارد. اغلب موتورهای BLDC دارای سه سیم‌پیچ استاتور می باشند که به‌صورت ستاره به یکدیگر متصل شده‌اند. هر سیم‌پیچ منشکل از تعدادی زیاد حلقه بوده که متوالیا و با ارایشی خاص به یکدیگر متصل هستند. هر سیم‌پیچ در داخل استاتور به نحوی توزیع ‌شده‌است تا تشکیل یک قطب را بدهد. دو نوع آرایش سیم‌بندی برای استاتور وجود دارد که در نتیجه آن موتور‌های BLDC ذوزنقه‌ایی و موتور‌های BLDC سینوسی مطرح می‌شوند. این تفاوت از نحوه اتصال کویلهای استاتور ظاهر می‌گردد که در نتیجه دو نوع مختلف ولتاژ ضد محرکه الکترومغناطیسی (Back-EMF) پدید می‌آید.

۳-۱-۱-موتور BLDC با تغذیه ولتاژ سینوسی (BLAC)

در نوع تغذیه سینوسی که در واقع همان ماشین سنکرون مغناطیس دائم (PMSM) می‌باشد برای ایجاد شار سینوسی علاوه بر این‌که توزیع سیم‌پیچی فازهای استاتور سینوسی است، ولتاژ اعمالی به فازهای استاتور نیز سینوسی می‌باشد. لذا دانستن مقدار لحظه‌ای موقعیت روتور الزامی بوده و در نتیجه باید از اینکودرهای موقعیت دقیق استفاده نمود. مقدار گشتاور لحظه‌ایی در این نوع موتور بسیار صاف بوده و ریپل گشتاور ناچیز می باشد. با این وجود ایجاد سیم‌بندی سینوسی با پیچیدگی بیشتری همراه بوده و تعداد اتصالات داخلی بیشتری را می‌طلبد. در مجموع، ساخت استاتور با اتصال سینوسی هزینه بیشتری را تحمیل می‌نماید. این موتور بنام موتور BLAC نیز شناخته می‌شود[۱۱]. شکل ۲ شکل موج ولتاژ ضدمحرکه یک موتور BLAC را نمایش می‌دهد.

۳-۱-۲-موتور BLDC با تغذیه ولتاژ ورودی ذوزنقه‌ای

در این نوع موتور توزیع سیم‌پیچی فازهای استاتور به‌صورت ذوزنقه‌ایی بوده و ولتاژ اعمالی به فازها نیز به‌صورت ذوزنقه‌ای یا مربعی می‌باشد. در این ساختار، نیازی به دانستن مقدار لحظه‌ایی موقعیت روتور نبوده و می‌توان از سهس سنسور وضعیت از نوع اثر هال که در فواصل ۱۲۰ درجه نسبت به یکدیگر قرار‌گرفته‌اند استفاده نمود. محاسبات و عمل کنترلی در این نوع موتور نسبت به نوع سینوسی بسیار ساده‌تر می‌باشند. در چگالی شار و اندازه‌ یکسان برای هر دو نوع موتور ذوزنقه‌ایی و سینوسی، نوع ذوزنقه‌ایی بدلیل توزیع سیم‌بندی ذوزنقه‌ایی، بمقدار ۱۵% گشتاور بیشتری تولید می‌کند.اما از طرف دیگر به‌دلیل همپوشانی کموتاسیون فازها، ریپل گشتاور در این نوع موتور بیشتر از نوع سینوسی است[۱۱]. شکل ۳ شکل موج ولتاژ ضد محرکه یک موتور BLDC ذوزنقه‌ای را نمایش می‌دهد.

موتورهای BLDC در مقادیر ولتاژ تغذیه مختلفی ساخته‌ می‌شوند. برای کاربردهای رباتیک و سیستم‌های Servo سطح ولتاژ ۴۸ ولت و یا کمتر انتخاب می‌شود. در حالی‌که موتورهای با تغذیه ۱۰۰ ولت به بالا در اتوماسیون و کاربردهای تراکشن به‌کار می‌روند.

۳-۲-روتور

روتور یک موتور BLDC از مواد مغناطیسی ساخته می‌شود و تعداد زوج قطب‌ها از یک تا ۸ عدد تغییر می‌نماید. برحسب چگالی میدان مغناطیسی مورد نیاز در رتورف مواد مغناطیسی مناسب برای ساخت روتور استفاده می‌گردد. مگنت‌های فریت معمولاً برای ساخت مغناطیس دائم به‌کار می‌رود. فریت‌ها ارزان‌ قیمت هستند ولی چگالی فلوی پایینی دارند. آلیاژهای مواد مغناطیس دائم کمیاب مانند نئودیم (Nd)، ساماریوم-کبالت(SmCo) موادی با چگالی بالا بوده که گران قیمت می‌باشند. در بخش ۲-۴ درباره مواد مغناطیسی و خصوصیات آن‌ها به تفصیل بحث می‌گردد. رتور موتورهای مغناطیس دائم معمولاً در پیکر‌بندی‌های ذیل ساخته می‌شوند:

۱- نوع مغناطیس داخلی(Interior-Magnet Rotor)

۲- نوع مغناطیس سطحی یا خارجی(Surface-Magnet Rotor)

۳-  Inset-Magnet Rotor

در نوع Interiorف به‌دلیل آن‌که در سطح روور، ناحیه مغناطیس دائم کوچکتر از ناحیه قطب می‌باشد چگالی شار فاصله هوایی در قیمت مدار باز کوچکتر از مقدار آن در ئداخل مگنت می‌باشد. اندوکتانس محور d نیز از اندوکتانس محور q کمتر می‌باشد. در این پیکربندیف مگنت بسیار خوب محافظت شده و برای کاربردهای سرعت بالا بسیار کاربرد داردو. موتور نوع Surface Magnet دارای ساختار ساده‌تری بوده و مگنت نیز چندان محافظت نمی‌شود. کاربرد این موتور برای کابردهای سرعت متوسط تا بالا می‌باشد. بیشترین کاربردشان موتورهای درایوهای دیسک ثابت کامپیوترها می‌باشد. این کاربرد نیاز به یک سرعت یکنواخت و ثابت داشته و اینرسی بالای روتور مغناطیس سطحی یک مزیت در بدست‌آوردن این اهداف می‌باشد. برای سایر موارد به مرجع [۱۱] مراجعه شود. شکل ۴ نمای چند نمونه از موتورهای مغناطیس دائم را نمایش می‌دهد.

۳-۳-سنسورهای هال

برخلاف موتور DC جاروبک‌دار، کموتاسیون یک موتور BLDC به‌صورت الکترنیکی صورت می‌گیرد. برای چرخش موتور، سیم‌پیچ‌های استاتور باید با ترتیبی مناسب تحریک گردند. برای تحریک سیم‌پیچ‌های استاتور، دانستن وضعیت روتور بسیار اهمیت دارد. وضعیت روتور توسط سنسور هال می‌باشند. هر زمان که قطب‌های مغناطیسی روتور از نزدیکی یک سنسور هال عبور می‌نمایند یک سیگنال High یا Low که مبین عبور قطب N یا S از نزدیکی سنسور می‌باشد، ایجاد می‌نمایند. براساس ترکیب سیگنال‌های ایجاد شده توسط این سه سنسورف ترتیب دقیق کموتاسیون قابل تعیین است. شکل ۵ برش محوری یک موتور BLDC را نشان می‌دهد. جاسازی سنسورهای هال بر روی استاتور فرآیند ساده‌ای نمی‌باشد زیرا غیر هم محور بودن سنسورها نسبت به مکنت‌های روتور نمنجر به ایجاد خطا در تعیین وضعی روتور می‌شود. برای سهولت عمل جاسازی سنسورهای هال بر روی استاتور از سه عدد مگنت کوچک بر روی روتور استفاده می‌شود که این مگنت‌ها نزدیک به سنسورهای هال قرار دارند. براساس مکان فیزیکی، سنسورهای هال دو نوع آرایش وجود دارد. سنسورهای هال می‌توانند در مکان‌های ۶۰ درجه یا ۱۲۰ درجه نسبت به یکدیگر قرار گیرند. ترتیب کموتاسین باید بر اساس نوع آرایش به‌کار رفته تعیین گردد.[۱۵].

۴- مواد مغناطیس دائم

امروزه، انواع محتلفی از مواد مغناطیس دائم وجود دارند که مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از» آلنیکو، فریت(سرامیک)، ساماریوم- کبالت و نئودیوم- آهن- بودف در کاربردها با عمل‌کرد بالا مرسوم می‌باشند زیرا نسبت به ساماریوم-کبالت ارزان‌تر می‌باشند. هر نوع از این مگنت‌ها، خواص مغناطیسی متفوامتی داشته که منجر به ایجاد محدودیت‌ها و سطوح مختلف عملکردی در موتورهای BLDC می‌شود. در ادامه فقط خواص عمومس مگنت‌ها بررسی می‌گردد[۱۷].

مواد مغناطیس دائم (PM) موادی هستند که دارای حلقه هیسترزیس پهن می‌باشند. بنابراین منحنی عملکرئ PMها در ربع‌های اول و دوم از حلقه هیسترزیس، در شکل ۶ نمایش داده‌شده‌است. برای راحتی کار محور شدت میدان مغناطیس با  مقیاس شده است که در نتیجه، هر دو محور دارای واحد تسلا می‌باشند. حلقه هیسترزیس نمایش‌داده‌شده در شکل ۶ با اعمال یک میدان مغناطیسی بسیار قوی و سپس قطع آن بر یک ماده خام مناسب بوجود می‌آید. این عملیات سبب می‌گردد که مطابق منحنی، خاصیت مغناطیسی در ماده القا گردد(Relax) و یا این‌که ماده به حالت نخستین بازگردد(Recoil).

اگر دو انتهای مگنت توسط یک ماده با پرمانس بی‌نهایت به یکدیگر متصل گردند، گفته می‌شود که قابلت مغناطیسی در ماده ماندگار شده و آخرین نقطه‌کار H=0 خواهد بود. چگالی شار بجا مانده در مگنت در این نقطه به‌نام پسماند شناخته شده و با اندیس B_r نمایش داده می شود. B_r، حداکثر چگالی شاری است که مگنت به تنهایی قادر به ایجاد آن می‌باشد. از طرف  دیگر اگر نفوذ‌پذیری مغناطیسی اطراف مگنت، صفر باشد، هیچ شاری از مگنت خارج نخواهد شد وآخرین نقطه بدست آمده، B=0 خواهد بود. در این مقطهف دامنه چگالی میدان در امتداد مگنت معادل با H_C است. برای پرمانس‌های بین صفر و بی‌نهایتف نقاط کار، در ربع دوم مابین B_r و H_C قرار دارند. مقدار مطلق شیب خط بار از نقطه کار تا مبدا که با ضریب نرمالیزه شده‌است به‌عنوان ضریب پرمانس (PC) شناخته می‌شود. لذا کارکرد در نقطه B_r دارای یک مقدار PC بی‌نهایت می‌باشد. کار در نقطه H_C دارای PC صفر بوده و کار در دقیقا بین این دو نقطه، دارای PC=1 می‌باشد.

مواد مغناطیس دائم سخت نظیر ساماریوم- کبالت و (Ne Fe B) دارای منحنی‌های مغناطیس زدایی نظیر شکل ۷ می‌باشند. شیب این خطوط برابر با  بوده که ، ضریب نفوذ مغناطیسی نسبی این مواد است. مقدار نمونه  برابر با ۱٫۰ تا ۱٫۱ می‌باشد. در دماهای بالاتر، منحنی مغناطیسی میل به نزدیکی به مبدا را دارند. با وقوع این عمل مقدار شار مگنت افت نموده و لذا خواص مغناطیسی کاهش می‌یابد. این رفتار کاهشی، برگشت‌پذیر بوده و با کاهش مجدد دما منحنی مغناطیس‌زدایی به منحنی بالاتر برمی‌گردد[۱۷].

علاوه‌بر این‌که با افزایش دما منحنی به سمت مبدا میل می‌کند، نقطه زانویی عملکرد مغناطیس زدایی ممکن است از ربع سوم به‌طرف ربع دوم حرکت نماید. این انحراف از خط راست سبب می‌گردد که دانسیته شار سریع تر یه سمت H_C میل نماید. عملکرد در ناحیه زانویی سبب می‌گردد که برگشت‌پذیری مغناطیسی به‌تدریج ازبین برود زیرا خاصیت مغناطیسی مگنت در امتداد خط پایین‌تری به حالت اولیه باز‌می‌گردد(خط‌ نقطه‌چین در شکل ۷). با وقوع این اتفاق B_r و H_C موثر کاهش یافته و لذا عملکرد مغناطیسی کاهش می‌یابد. لذا باید اطمینان حاصل نمود که مگنت‌ها به دور از نقطه H_C و در مقدار نسبتا بالایی از PC کار می‌کنند[۱۷].

۵- اصول عملکرد موتور BLDC

در این بخش بدلیل تشابه ذاتی عملکرد و ساختار موتور BLDC با تغذیه ورودی با موتور‌های سنکرون از نوع مغناطیس دائم از بیان آن صرف‌نظر نموده و بحث فقط معطوف به موتور BLDC با تغذیه ورودی ذوزنقه‌ای می‌گردد[۱۱]. لذا منظور از موتور BLDC در این بخش تغذیه با ولتاژ ورودی ذوزنقه‌ای می‌باشد. عمل کموتاسیون برای موتور BLDC و کنترل آن بسیار حیاتی و اساسی می‌باشد. در ادامه بحث، اساس کموتاسیون موج مربعی موتور BLDC با نشان دادن کموتاسیون در یک موتور کموتاتورDC بسادگی بیان می‌شود.

۵-۱-تبیین مفهوم کموتاسیون در یک موتور کموتاتورDC

شکل ۸ یک موتور کموتاتورDC را نمایش می‌دهد که در یک میدان مغناطیسی ثابت دوران می‌کند. میدان مغناطیسی توسط یک مغناطیس دائم تولید می‌گردد. این میدان دو قطبی بوده، زیرا فقط یک قطبN و یک قطب S در هر دور کامل وجود دارد. تنها محور یک کویل در شکل ۸ نمایش داده‌شده است که با محور مرجع زاویه می‌سازد.

بین مقادیر   و  ، شار نشتی از مقدار ماکزیمم منفی تا مقدار ماکزیمم افزایش می‌یابد. در این حالت تمام شار به‌طور یکنواخت از کویل عبور می‌نماید. بدلیل وجود دو فاصله هوایی بین دو قطبN و S مگنت، شار نشتی حدود چند درجه کمتر از مقدار وضعیت ، بدون ایجاد هیچ تغییری، ثابت باقی می‌ماند. این افزایش سطح تحت شار نشتی در شکل ۹ نشان داده‌شده‌است[۱۱,۱۷].

شکل موج نیروی ضد محرکه با استفاده از قانون فارادی، از شکل موج شار نشتی قابل دست‌یابی است. لذا  برابر با نرخ تغییرات یا شیب شکل موج شار نشتی و به‌صورت ذیل می‌باشد:

(۱)

که در آن،  سرعت زاویه‌ای روتور می‌باشد. اگر N سرعت برحسب دور بر دقیقه باشد درنتیجه خواهیم‌داشت . نرخ تغییرات شار نشتی بر حسب وضعیت روتور از شکل موج‌های نشان‌داده‌شده در شکل ۹ قابل محاسبه می‌باشد.

کموتاتور، جریان منبع DC(i_a) را به کویل با همان پلاریته نیروی ضد محرکه (e_a) کلیدزنی می‌نماید، به‌طوری‌که توان تغذیه شده به‌صورت e_ai_a خواهد بود. شکل موج جریان i_a در شکل ۹ نشان داده‌شده‌است. اگر سرعت زاویه‌ای ثابت نگه‌داشته‌شود و از تلفات نیز صرفنظر گردد، توان الکتریکی ورودی به توان مکانیکی تبدیل خواهد شد که  گشتاور تولید‌شده یک کویل می‌باشد و به‌دلیل هماهنگی پلاریته‌های جریان و نیروی ضد‌محرکه، همواره در یک جهت ثابت باقی خواهد ماند. با این وجود، گشتاور تولید‌شده صفر است. علت این پدیده همان‌طور که قبلاً نیز بیان شد به وجود فاصله هوایی بین قطب‌های مگنت برمی‌گردد. شکل ۱۰، شماتیک عملکرد یک موتورکموتاتورDC  سبیه به شکل ۸ را با این تفاوت که سه کویل در فواصل برابر  نسبت به یکدیگر روی موتور قرار گرفته‌اند.

کویل‌ها در یک نقطه به یکدیگر متصل بوده و سر دیگر آن‌ها به سه نقطه کموتاتور که بازه هر کدام   است قرار دارند. شکل موج‌های گشتاور تولید‌شده توسط کویل‌های ۲ و ۳ مشابه با شکل موج   بوده اما نسبت به   دارای اختلاف فاز  و می‌باشند. گشتاور کل تولید شده یعنی  همواره ثابت می‌باشدو موتور DC با سه قطعه کموتاتور، تقریبا دارای عملکردی مشابه موتور BLDC سه فاز می‌باشد. جاروبک‌ها و کموتاتورها وظیفه‌ای همانند مدار PWM شکل ۱۱ دارند که از ادوات کلی‌زنی الکترونیک قدرت استفاده می‌کند و شکل موج‌های ولتاژ شکل ۹ نیز به موتور BLDC اعمال می‌گردند.

شکل ۱۱: مدار اینورتر PWM جهت استفاده در موتورهای BLDC سه فاز

بسیاری از مشخصه‌های این دو موتور نظیر شکل موج‌های جریان فازها، مشابه یکدیگر می باشند. هر دو موتور در هر لحظه از زمان دقیقا دو فاز در حال هدایت می‌باشند. کموتاتور، ثابت ماندن جریان منبع DC را تضمین می‌نماید. اهمیت شکل موج جریان DC ثابت در آنست که نیازی به استفاده از فیلترهای خازنی متصل به تغذیه DC نبوده و عملیات فیلتراسیون کاهش خواهد یافت.

۵-۲-مقایسه موتور BLDC با موتورهای DC و القایی

در مقایسه با موتورهای DC جاروبک‌دار و موتورهای القایی، موتور BLDC برتری‌های زیادی داشته و البته دارای معایبی نیز هست. جدول ۴ مقایسه موتور BLDC با موتورهای DC القایی را نشان می‌دهد[۱۵].

جدول ۴: مقایسه موتور BLDC با موتور DC جاروبک‌دار و القایی

۵-۳-کموتاسیون در موتورBLDC

شکل ۱۲، مثالی از سیگنال‌های سنسورهای هال را با توجه به ولتاژ ضد محرکه و جریان فازها نمایش می‌دهد.

شکل ۱۳ نیز ترتیب کلیدزنی در مبدل که با توجه به وضعیت سنسورهای هال انجام می‌شود را نشان می‌دهد. شماره‌های ترتیب کموتاسیون شکل ۱۲ با شماره‌های شکل ۱۳ تطابق دارند. در هر ۶۰ درجه الکتریکی، یک سنسور هال تغییر وضعیت می‌دهد. با درنظر‌گرفتن این مطلب هر سیکل الکتریکی در ۶ پله تکمیل می‌گردد. هر سیکل مکانیکی نیز با طی چند سیکل الکتریکی (به تعداد زوج قطب‌ها) تکمیل می‌شود.

۶-کنترل حلقه‌ بسته موتورBLDC

شکل ۱۴ یک نمونه از بلوک دیاگرام سیستم کنترل یک موتور BLDC را نمایش می‌دهد[۱۵]. سوئیچ‌های تا ، ۶ کلید قدرت بوده که می‌توانند از نوع Mosfet قدرت، IGBT و یا دیگر ترانزیستورهای دو قطبی باشند و بر اساس مقادیر نامی ولتاژ و جریان موتور تعیین گشته و توسط یک کنترل کننده نظیر میکرو‌کنترلرPIC18FXX31 کنترل می‌شوند. جداول ۵ و ۶ نیز ترتیب کلید‌زنی سوئیچ‌ها را براساس ورودی‌های A و B و C سنسورهای هال و به ترتیب برای گردش در جهت عقربه‌های ساعت و خلاف عقربه‌های ساعت نشان می‌دهند.

با توجه به شکل ۱۵، اگر سیگنال‌های نامگذاری شده با نام PWMx مطابق با ترتیب کموتاسیون سوئیچ‌زنی گردند، موتور در سرعت نامی خواهد چرخد. این در صورتی است که ولتاژ باس DC در مقدار نامی ولتاژ موتور باشد. فرکانس موج PWM باید حداقل ۱۰ برابر حداکثر سرعت موتور باشد. با تغییر دوره کاری(Duty Cycle)موج PWM، ولتاژ متوسط تغذیه استاتور کاهش یافته و لذا جریان، گشتاور و در نتیجه سرعت روتور کاهش می‌یابند. روش‌های کنترلی و سوئیچینگ‌ متفاوتی وجود دارند. اگر تعداد سیگنال‌های PWM خروجی میکرو کنترلر محدود باشند، می‌توان سوئیچ‌های بالایی را در طی دوره کاری در حالت ON قرار داد و فقط سیگنال‌های پایینی توسط سیگنال‌ PWM تحریک گردند.

سرعت موتور می‌تواند در یک حلقه بسته و با اندازه‌گیری سرعت واقعی موتور تنظیم شود. خطای بین سرعت مرجع و واقعی توسط کنترل کننده تقویت گردیده و برای تنظیم دوره‌کاری سیگنال‌های PWM بکار رود. برای کاهش قیمت درایو و همچنین برای کاربردهاب با دقت پایین، سیگنال‌های اثر هال می توانند برای اندازه‌گیری سرعت واقعی موتور بکار روند. با اندازه‌گیری زمان بین دو تغییر حالت یک سنسور هال می‌توان سرعت را تعیین نمود. برای نیازهای با دقت بالا باید از اینکودرهای متصل به شافت موتور استفاده نمود.

علاوه‌بر روش‌های فوق می‌توان از روش‌های بدون سنسور نیز برای تعیین ترتیب کموتاسیون و کلی‌زنی سوئیچ‌ها و همچنین در کنترل حلقه بسته درایو موتور استفاده نمود. یک روش مبنایی بدون سنسور استفاده از ولتاژ ضدمحرکه موتور می‌باشد. زمان‌های عبور از صفر این سیگنال منطبق با زمان کموتاسیون بین فازهای ‌باشند. در شکل ۱۲ می‌توان زمان عبور از صفر ولتاژ ضد‌محرکه و ارتباط آن با کموتاسیون فازها را مشاهده نمود. شکل ۱۵ نیز بلوک دیاگرام روش کنترل بدون سنسور را نمایش می‌دهد. استفاده مستقیم از ولتاژ ضد‌محرکه در عمل و پیاده‌سازی با محدودیت‌های فراوانی از جمله، اندازه‌گیری، وجود نویز و محدودیت در سرعت‌های پایین همراه می‌باشد. تکنیک‌های پیشرفته‌تری نیز وجود دارند که در فصل ۷ به تفصیل به آن‌ها پرداخته می‌شود.

۷-نتیجه‌گیری

در این بخش موتورهای DC بدون جاروبک مغناطیس دائم معرفی گردیده ویژگی‌ها ومزایای آن نسبت به موتورهای DC و القایی بکار رفته در‌ خودروهای برقی و هیبرید بیان گردیدند. سپس انواع مختلف این دسته از موتورها ذکر و خصوصیات هر یک بیان گردید.

موتور BLDC با پخش فضایی سینوسی هادی‌های استاتور و تغذیه سینوسی دارای ضربان گشتاور کمتر بوده و منجر به عملکرد نرم‌تر موتور می‌گردد. حال آن‌که در نوع تغذیه ورودی ذوزنقه‌ای، سیم‌بندی متمرکز استاتور سبب افزایش چگالی فلوی ذوزنقه‌ای و افزایش نسبت گشتاور بر واحد جرم‌آهن خواهد گردید. نوع IPM-BLDC دارای ساختار مکانیکی مقاومتر و حفاظت‌شده‌تر بوده و لذا برای کاربردهای با سرعت بالا نظیر خودروهای برقی و هیبرید که ناحیه توان ثابت وسیعی مورد نیاز است، قابل استفاده می‌باشد. خصوصیات پایه‌ای، اصول عملکرد و نیازهای کنترلی موتورهای BLDC مورد بحث قرار‌گرفتند. مقایسه بین موتور BLDC و موتور کموتاتور DC به درک عملکرد موتور BLDC کمک شایانی می‌کند. تکنولوژی الکترونیک قدرت به استفاده از موتورهای BLDC شتاب فراوانی بخشیده‌است و دامنه کاربردهای صنعتی آن به‌طور چشمگیری توسعه پیدا نموه‌اند.

فصل دوم:

مدل‌سازی و شبیه‌سازی

جهت دریافت و خرید متن کامل مقاله و تحقیق و پایان نامه مربوطه بر روی گزینه خرید انتهای هر تحقیق و پروژه کلیک نمائید و پس از وارد نمودن مشخصات خود به درگاه بانک متصل شده که از طریق کلیه کارت های عضو شتاب قادر به پرداخت می باشید و بلافاصله بعد از پرداخت آنلاین به صورت خودکار  لینک دنلود مقاله و پایان نامه مربوطه فعال گردیده که قادر به دنلود فایل کامل آن می باشد .