عملکرد در سرعت صفر و سرعت های پایین

  • عملکرد بدون سنسور در کل دامنه کاری

کنترل بدون سنسور بیشتر در کاربردهایی استفاده می شود  که در بیشترین زمان عملکرد خود، با فرکانسهای الکتریکی بالاتر (سرعتهای مکانیکی بالاتر) کار می کنند. این موضوع بیشتر به این علت است که اکثر رویت گرهای بدون سنسور به یک سیگنال back-EMF  نیاز دارند که با چرخش روتور با حداقل فرکانسی تولید می شود. در سافت سنسور ابدایی، این حداقل فرکانس عملکرد، خیلی کمتر از دیگر رویت گرهاست (زیر ۱ Hz). اما هنوز نیازمند یه حداقل فرکانس می باشد.

در بسیاری از این کاربردها، یک رویه استارت آپ ساده، روتور را به یک سرعت بالای کافی می رساند تا رویت گر شروع به کار کند. موقعیت واقعی شار روتور مجهول است لذا یک میدان استاتور چرخشی اعمال می شود تا روتور آن را دنبال کند. اگر گشتاور کافی برای چرخش بار تولید شود و سرعت کافی برای اینکه رویت گر شروع به تولید تخمین های خوب بکند بدست آید، همه چیز مطلوب پیش خواهد رفت.

  • نقایص متد مذکور
    • روتور ممکن است در ابتدا، کمی در جهت عکس حرکت کند وقتی که شار استاتور از پشت شروع به جارو کند،
    • روتور ممکن است به عقب و جلو حرکت کند وقتی که شار استاتور می چرخد بدون اینکه روتور قفل شده باشد، بخصوص اگر اندازه شار استاتور، متناسب با بار و باندازه کافی بزرگ نباشد،
    • گشتاور نامی نمی تواند تولید شود،
    • تغییر بار براحتی می تواند باعث از دست رفتن سنکرونیزاسیون شود،
    • روشن است که هر چقدر زودتر بتوان زاویه شار روتور را بطور دقیق تخمین زد می توان این ناحیه عملکردی مطلوب را کوچکتر کرد اما همچنان این موضوع یک مشکل است بخصوص برای کاربردهایی که نیازمند جهت مشخص در استارت آپ، نرمی حرکت در لحظه راه اندازی، تولید گشتاور مناسب لحظه راه اندازی، و پایداری کنترل حرکت تحت بارهای متغیر می باشند.
  • نمونه کاربردهایی که از عملکرد سنسورلس در سرعتهای پایین و سرعت صفر بهره می برند
    • کشش
      • اسکوتر برقی، دوچرخه برقی، پدال برقی، سگوی و …
      • وسایل نقلیه موتوری چهار چرخ و سه چرخ، لیفتراک، تجهیزات کشاورزی
      • رباتها
    • ابزارآلات
      • دریل، درایور، آچار، اره
    • کمپرسورها
      • استارت آپ نرم کنترل شده باعث افزایش طول عمر می شود
    • فن ها و پمپها
      • فنهای دور بالا، با عملکرد سنسورلس سرعت صفر، می توانند سریعتر به سرعت بیشینه خود برسند و سریعتر تغییر جهت دهند

برای حل مشکل تخمین در سرعتهای پایین، نیاز به تخمینگر جداگانه در سرعت صفر و سرعتهای پایین داریم بگونه ای که زاویه شار روتور بصورت پیوسته از سرعت صفر و در سرعتهای بسیار پایین تخمین زده شود و انتقال بین تخمینگر سرعتهای بالا و سرعتهای پایین، بصورت پایدار  انجام شود. وظیفه تخمینگر سرعت پایین، تشخیص موقعیت اولیه روتور و تزریق فرکانس بالا برای عملکرد سرعت صفر و سرعت پایین می باشد.

  • تشخیص موقعیت اولیه (سرعت صفر)

این ماجول، از منحنی BH آهن که کویل های استاتور روی آن پیچیده شده اند استفاده می کند تا قطب N روتور و بنابراین محور d را تعیین کند. شدت میدان مغناطیسی، نقطه کار منحنی BH را طبق شکل نشان داده شده در زیر بایاس می کند. میدان  های مغناطیسی مخالف و موافق توسط کویل استاتور اعمال می شود. وقتی دو تا میدان موافق باشند، نقطه کار بر روی منحنی BH بیشتر به طرف ناحیه اشباع هل داده می شود. وقتی میدان های مغناطیسی مخالف باشند، نقطه کار منحنی BH بیشتر به طرف ناحیه خطی حرکت می کند. اختلاف اندوکتانس بین این دو نقطه کار منحنی BH، این امکان را می دهد که بتوان جایی که قطب N  روتور قرار دارد را تعیین کرد.

به محض اینکه سیستم روشن می شود، موقعیت اولیه روتور در سرعت صفر توسط ماجول فوق الذکر تعیین می شود. سپس ماجول دیگری بنام تزریق فرکانس بالا، موقعیت قطب N روتور (محور d) را از همان سرعت صفر طی عملکرد موتور تعقیب می کند.

  • تشخیص موقعیت در سرعتهای پایین

همینکه موقعیت قطب N روتور تشخیص داده شد، باید همیشه در طی عملکرد موتور تعیقب شود. ماجول تزریق قرکانس بالا، از یک سیگنال فرکانس بالا (که بر اساس ثابت زمانی موتور تعیین می شود) برای تعقیب قطب N استفاده می کند. اما این قابلیت بستگی به نوع طراحی موتور سنکرون دارد که قطب-برجسته باشد. برجستگی قطب به این صورت است که مگنتهای روتور زیر سطح روتور و با فاصله هایی که توسط آهن روتور پر شده است جاگرفته باشند که در شکل زیر تفاوت آن با موتور قطب-غیر برجسته که مگنتها روی سطح روتور قرار داده شده اند بوضوح روشن است.

برای نوع قطب برجسته، به علت اینکه ماده مگنتها، ضریب گذردهی مغناطیسی خیلی کمتری از آهن اطراف مگنتها دارند، رلوکتانس شاری که از مگنتها عبور می کند بزرگتر از رلوکتانس مسیر آهنی است. لذا وقتی روتور زاویه روتور افزایش می یابد، رلوکتانس تغییرات پریودیک خواهد داشت. اگر اندوکتانس روی یک کویل استاتور اندازه گیر ی شود، شبیه زیر خواهد بود

ماجول تزریق فرکانس بالا، از این اطلاعات برای قفل شدن روی قطب N روتور وقتی در سرعتهای پایین می چرخد استفاده می کند. برای اینکه بطور قطع زاویه تخمینی ماجول تزریق فرکانس بالا،  روی قطب N قفل شده باشد و نه قطب S، از موقعیت تشخیص داده شده توسط ماجول تشخیص موقعیت اولیه، بعنوان زاویه اولیه قطب N استفاده می کند.

  • ماجول انتقال

ماجول تزریق فرکانس بالا، در سرعتهای پایین خیلی خوب کار می کند اما یک حد سرعت ماکزیمم دارد. قبل از اینکه سرعت روتور به این حد سرعت ماکزیمم برسد، کنترل حلقه بسته سیستم باید به دست تخمینگر سرعت بالا داده شود. لذا ماجولی طراحی شده است که بطور خودکار و بر اساس پارامترهای سیستم، و بصورت هیسترزیسی، کار انتخاب بین تخمینگر سرعت بالا و تخمینگر سرعت پایین (ماجول تشخیص اولیه + تزریق فرکانس بالا) را انجام می دهد. از ورودیهای این ماجول انتقال، می توان خروجیهای تخمین زاویه و سرعت از هر دوی تخمینگرهای سرعت بالا و پایین و سرعتی که در آن کنترل از یک تخمینگر به تخمینگر دیگر منتقل می شود را نام برد.

  • محدودیتها

علی رغم اینکه طراحی روتور باید یک طراحی قطب برجسته باشد، یکی از محدودیتهای کلیدی ماجول تخمینگر سرعت پایین، اثری است که جریان استاتور موتور روی برجستگی قطبهای روتور دارد. برای استارت موتور زیر بار، باید جریان کافی توسط موتور مصرف شود تا گشتاور لازم را تولید کند. با افزایش جریانها، تغییرات رلوکتانسی مطلوب، کاهش پیدا می کند، لذا تغییرات اندوکتانسی نیز کاهش پیدا کرده و ماجول تزریق فرکانس بالا، نمی تواند با دقت کافی زاویه روتور را تخمین بزند تا بتوان تولید گشتاور را ماکزیمم  کرد. لذا عملکرد ماجول تزریق فرکانس بالا، باید برای هر موتور تست شود که بستگی به نوع طراحی موتور و قطب-برجستگی اولیه موتور دارد. هر چه برجستگی بیشتر باشد قطعا عملکرد این ماجول بهتر خواهد بود.