نحوه طراحی یک درایور پمپ آب PMSM با کنترل FOC

1. درک ویژگی های موتور

• پارامترهای موتور:

  • اول از همه، لازم است پارامترهای مختلف موتور PMSM مورد استفاده، از جمله توان نامی، سرعت نامی، گشتاور نامی، مقاومت استاتور، اندوکتانس استاتور، اتصال شار مغناطیسی دائمی، جفت قطب ها و غیره را به وضوح درک کنید. این پارامترها برای طراحی سیستم درایو بعدی و انتخاب الگوریتم های کنترل بسیار مهم هستند.

  • به عنوان مثال، دستگاه های قدرت مناسب را می توان بر اساس توان و سرعت نامی موتور انتخاب کرد و فرکانس الکتریکی موتور را می توان بر اساس جفت قطب ها و سرعت نامی موتور محاسبه کرد تا یک تراشه کنترلی و فرکانس درایو مناسب انتخاب شود.

2. انتخاب دستگاه های قدرت

• انواع لوله سوئیچ:

  • IGBT (ترانزیستور دوقطبی گیت عایق) یا ماسفت (ترانزیستور اثر میدانی فلز-اکسید-نیمه هادی) معمولاً به عنوان لوله کلید اصلی استفاده می شود. برای درایو موتورهای PMSM پمپ آب با قدرت کوچک و متوسط، ماسفت به دلیل سرعت سوئیچینگ سریع و مقاومت روشن کم آن محبوبیت بیشتری دارد. برای کاربردهای پرقدرت، IGBT ممکن است مناسب‌تر باشد زیرا می‌تواند ولتاژ و جریان‌های بالاتری را تحمل کند، اما سرعت سوئیچینگ نسبتاً کندتر است.

  • دستگاه های قدرت باید با توجه به ولتاژ و جریان نامی موتور انتخاب شوند و حاشیه مشخصی در نظر گرفته شود. به طور کلی، ولتاژ نامی دستگاه قدرت انتخابی باید 1.5 - 2 برابر ولتاژ نامی موتور و جریان نامی باید 1.2 - 1.5 برابر جریان نامی موتور باشد.

• طراحی اتلاف حرارت:

  • مقدار زیادی گرما در حین کار دستگاه های برق تولید می شود و طراحی اتلاف گرما خوب مورد نیاز است. می توان از سینک های حرارتی، خنک کننده هوا یا خنک کننده آب استفاده کرد. برای سیستم های درایو با چگالی توان بالا، ممکن است نیاز به خنک کننده آب باشد تا اطمینان حاصل شود که دمای اتصال دستگاه های قدرت از دمای نامی آنها تجاوز نمی کند و از تخریب عملکرد یا حتی آسیب ناشی از گرمای بیش از حد جلوگیری می کند.

3. طراحی مدار درایو

• ولتاژ و جریان درایو:

  • مدار درایو باید ولتاژ و جریان کافی را برای اطمینان از هدایت سریع و مطمئن و خاموش شدن دستگاه‌های برق ارائه کند. به طور کلی، IGBT به ولتاژ درایو حدود 15 ولت - 20 ولت نیاز دارد و ماسفت ممکن است بسته به مدل های مختلف به ولتاژ درایو 5 - 15 ولت نیاز داشته باشد.

  • مدار درایو باید بتواند جریان پیک به اندازه کافی بزرگ را فراهم کند تا اطمینان حاصل شود که دستگاه های برق به طور کامل در مدت زمان کوتاهی روشن یا خاموش می شوند تا تلفات سوئیچینگ کاهش یابد.

• جداسازی:

  • برای اطمینان از ایزولاسیون الکتریکی بین مدار کنترل و مدار قدرت و جلوگیری از تداخل و اطمینان از ایمنی، مدار درایو معمولاً نیاز به استفاده از تکنیک‌های جداسازی مانند جداسازی اپتوکوپلر یا جداسازی مغناطیسی دارد. مدار جداسازی اپتوکوپلر ساده است، اما تاخیرهای انتقال و محدودیت های پهنای باند وجود دارد. جداسازی مغناطیسی (مانند جداسازی ترانسفورماتور) می تواند به سرعت انتقال و پاسخ فرکانس بالاتری دست یابد، اما هزینه ممکن است بالاتر باشد.

4. استراتژی کنترل

• کنترل میدان گرا (FOC):

  • FOC یکی از متداول ترین استراتژی های کنترلی برای موتورهای PMSM است. جریان استاتور را به یک جزء جریان گشتاور و یک جزء جریان میدان تجزیه می کند و با کنترل این دو جزء، کنترل دقیق موتور را محقق می کند. در FOC، تبدیل‌های چرخشی (مانند تبدیل کلارک و تبدیل پارک) برای تبدیل جریان در سیستم مختصات ثابت سه فاز به جریان در سیستم مختصات دوار برای کنترل راحت استفاده می‌شود.

  • تبدیل مختصات باید با دقت با توجه به پارامترهای موتور اجرا شود و جریان گشتاور و جریان میدان باید توسط کنترل‌کننده‌های PI از طریق کنترل حلقه بسته برای دستیابی به کنترل دقیق سرعت و گشتاور کنترل شوند.

  • به عنوان مثال، در ناحیه گشتاور ثابت، گشتاور خروجی موتور را می توان با تنظیم جزء جریان گشتاور دقیقاً کنترل کرد. در ناحیه مغناطیسی ضعیف، عملکرد موتور با سرعت بالا را می توان با تنظیم جزء جریان میدان محقق کرد.

• کنترل بدون حسگر:

  • برای برخی از سناریوهای کاربردی، به منظور کاهش هزینه ها و بهبود قابلیت اطمینان سیستم، می توان از تکنیک های کنترل بدون حسگر استفاده کرد. روش های متداول کنترل بدون حسگر شامل روش نیروی الکتروموتور برگشتی، روش مشاهده گر حالت لغزشی، روش تطبیقی ​​مرجع مدل و غیره است.

  • روش نیروی الکتروموتور برگشتی مبتنی بر رابطه بین نیروی الکتروموتور عقب موتور و سرعت است، اما نیروی الکتروموتور عقب در سرعت های پایین ضعیف است که بر دقت اندازه گیری تأثیر می گذارد. روش مشاهده گر حالت لغزشی یک ناظر حالت موتور را برای تخمین موقعیت و سرعت روتور می سازد و از استحکام خاصی نسبت به تغییرات پارامتر برخوردار است، اما ممکن است باعث لرزش سیستم شود. روش تطبیقی ​​مرجع مدل موقعیت و سرعت روتور را از طریق یک الگوریتم تطبیقی ​​بر اساس مدل ریاضی موتور تخمین می زند، الگوریتم نسبتا پیچیده است، اما عملکرد خوبی در سرعت های متوسط ​​و پایین دارد.

5. توابع حفاظتی

• حفاظت در برابر جریان بیش از حد:

  • یک مدار حفاظت از اضافه جریان باید در مدار درایو تنظیم شود. هنگامی که جریان شناسایی شده از آستانه تعیین شده فراتر رفت، دستگاه برق باید به موقع خاموش شود تا از آسیب دیدن موتور و دستگاه های برق در اثر جریان بیش از حد جلوگیری شود. از سنسورهای جریان هال یا مقاومت های شنت می توان برای تشخیص جریان استفاده کرد و عملکرد حفاظت از جریان اضافه را می توان از طریق مقایسه کننده ها و مدارهای منطقی تحقق بخشید.

  • به عنوان مثال، زمانی که جریان از 1.5 تا 2 برابر جریان نامی تجاوز کند، مکانیسم حفاظتی باید فورا فعال شود، سیگنال درایو باید خاموش شود و سیگنال هشدار باید صادر شود.

• حفاظت از اضافه ولتاژ:

  • این شامل محافظت از اضافه ولتاژ منبع تغذیه و اضافه ولتاژ نیروی الکتروموتور عقب موتور است. برای اضافه ولتاژ منبع تغذیه، می توان از مقایسه کننده ولتاژ برای نظارت بر ولتاژ ورودی استفاده کرد. برای اضافه ولتاژ نیروی الکتروموتور عقب موتور، می توان با نظارت بر ولتاژ باس DC و ولتاژ فاز موتور قضاوت کرد.

  • هنگامی که موتور به سرعت کاهش می‌یابد یا به سرعت ترمز می‌کند، ممکن است نیروی الکتروموتور پشتی بیش از حد ایجاد شود و اقدامات حفاظتی مربوطه باید در این زمان انجام شود، مانند استفاده از مدارهای گیره فعال یا غیرفعال برای محدود کردن نیروی الکتروموتور عقب در محدوده ایمن.

• حفاظت در برابر ولتاژ:

  • هنگامی که ولتاژ منبع تغذیه ورودی خیلی کم است، عملکرد عادی سیستم درایو ممکن است تضمین نشده باشد، که بر عملکرد موتور تأثیر می گذارد و حتی باعث از دست دادن مراحل موتور می شود. بنابراین، حفاظت در برابر ولتاژ باید تنظیم شود. هنگامی که ولتاژ منبع تغذیه کمتر از مقدار حد پایین تنظیم شده است، موتور باید متوقف شود و هشدار باید صادر شود.

6. طراحی سازگاری الکترومغناطیسی (EMC).

• مدارهای فیلتر:

  • فیلترهای مناسب باید در انتهای ورودی و خروجی اضافه شوند، مانند استفاده از فیلترهای حالت مشترک و حالت دیفرانسیل در انتهای منبع تغذیه ورودی برای سرکوب تداخل وارد شده توسط منبع تغذیه و سرکوب تداخل سیستم درایو در شبکه برق. افزودن سلف ها و خازن های فیلتر در انتهای خروجی برای سرکوب هارمونیک های فرکانس بالا تولید شده توسط برش PWM و کاهش تداخل الکترومغناطیسی به موتور.

  • می توان از فیلترهای LC یا LCL استفاده کرد و پارامترهای سلف و خازن مناسب باید با توجه به توان نامی موتور و فرکانس درایو انتخاب شوند.

• محافظ و سیم کشی:

  • برد مدار درایو باید محافظ باشد و قسمت برق و قسمت کنترل باید به طور جداگانه قرار داده شوند تا تأثیر تداخل الکترومغناطیسی بر مدار کنترل کاهش یابد.

  • هنگام سیم کشی، باید به کوچک نگه داشتن حلقه جریان تا حد امکان، اجتناب از تقاطع حلقه های جریان بالا و حلقه های سیگنال، و استفاده از سیم های محافظ برای سیگنال های فرکانس بالا و هادی های جریان بالا برای کاهش تابش الکترومغناطیسی و کوپلینگ توجه شود.

هنگام طراحی درایو موتور PMSM برای پمپ های آب، لازم است جنبه های فوق را به طور جامع در نظر بگیرید و طراحی هر لینک را با توجه به سناریوهای کاربردی خاص و الزامات عملکرد بهینه سازی کنید تا به یک سیستم محرک موتور با کارایی بالا، قابلیت اطمینان بالا و مقرون به صرفه دست یابید.