وبلاگ

موتور القایی به دلیل ساختار ساده و هزینه تعمیرات و نگهداری بسیار کم، یکی از پرکاربردترین محرکه های الکتریکی در صنعت می باشد. کنترل سرعت و گشتاور جزء مباحث لاینفک موتورهای القایی محسوب می شود. یکی از این روش های کنترل سرعت، کنترل مستقیم گشتاور بوده که دارای پاسخ گشتاور بسیار سریعی می باشد و همچنین در برابر تغییرات بار ناگهانی نیز مقاوم است. در کنترل مستقیم گشتاور از یک اینورتر استفاده می شود که به وسیله یک منبع DC تغذیه می شود. در گذشته تماماً این منابع DC از طریق باتری یا یکسو کردن ولتاژ AC حاصل می شد. در این پروژه از یک آرایه فتوولتائیک به عنوان منبع DC تغذیه کننده اینورتر استفاده شده است، و تاثیر

 شدت نور و دما بر عملکرد سیستم کنترلی بررسی گردیده است. نتایج این تحقیق نشان می دهد با پیشرفت تکنولوژی سلول های فتوولتائیک و تولید توان های بالا می تواند برای راه اندازی و کنترل موتور القایی بدون نیاز به برق متناوب مفید باشد. باید توجه داشت در این پروژه آرایه فتوولتائیک به همراه یک کنترلر برای ردیابی حداکثر توان (MPPT) استفاده شده است. شایان ذکر است در عمل معمولاً یک باطری برای تامین جریان راه اندازی موتور به کار گرفته می شود.

همچنین در کنترل مستقیم گشتاور عموماً از یک کنترلر PI برای کنترل سرعت استفاده می شود. در کنترلر PI افزایش و کاهش سرعت فرمان باید به صورت شیب به سیستم اعمال شود تا پاسخ بهترین داشته باشیم. در این پروژه از یک کنترلر فازی برای بهبود کنترل سرعت استفاده شده است.
کنترلر فازی خطای سرعت را، در تغییرات ناگهانی سرعت مرجع بهبود بخشیده است. همچنین پاسخ گشتاور نیز سریعتر شده است. خطای سرعت و پاسخ گشتاور در سرعت ها و بارهای مختلف برای مقایسه دو کنترلر آورده شده اند.
در فصل اول روش کنترل مستقیم گشتاور توضیح داده شده است. فصل دوم سلول های فتوولتائیک را شرح می دهد. در فصل سوم منطق فازی بیان گردیده و فصل آخر نیز به ارائه نتایج شبیه سازی می پردازد.

كنترل پیشبین در دهه های گذشته بسیار موفق بوده است . روش كنترل پیش بین مبتنی بر مدل سیستم است كه در آن مدلی از سیستم بطور صریح برای طراحی كنترل كننده مورد استفاده قرار می گیرد . در كنترل پیش بین به علت احتیاج به پیش بینی سیگنال به یك مدل خوب احتیاج داریم اما انتخاب مدل پیچیده هم باعث دقیق شدن پیش بینی سیگنال آینده می شود و هم باعث پیچیده شدن كمینه كردن تابع هزینه می گردد ، بنابراین باید بین این دو یك مصالحه ای برقرار شود.

مشخصه بسیار جالب آن در پیاده سازی آن در حوزه زمان می باشد و نیز می توان قیدهایی را بصورت نامساویها به سیستم كنترلی اعمال نمود . در طراحی كنترل كننده پیش بین نمی توان سیگنالها را نامحدود در نظر گرفت چرا كه بطور مثال عمل كننده ها تا یك حد مشخصی می توانند دامنه سیگنال كنترل و یا تغییرات آنرا تحمل نمایند بطور مثال شیرهای كنترلی حد كاملاً باز یا بسته خواهند داشت و نیز نرخ افزایش جریان در آنها دارای محدودیت است و به این ترتیب هدف كنترلی عبارت خواهد بود از نگاه داشتن خروجی فرآیند در نزدیكی نقطه مورد نظر در شرایطی كه متغیرهای جانبی دیگر از محدوده های تعریف شده خارج نشوند . از جمله محدودیتهای موجود در سیستم های كنترل می توان علاوه بر موارد فوق از اشباع ورودی، محدودیت درسرعت و جهت چرخش موتورها و مشخصات عملكردی و ایمنی نام برد . در مورد اخیر بطور مثال ممكن است هدف، جابه جایی قطعه ای از یك نقطه به نقطه ای دیگر در حداقل زمان باشد به گونه ای كه در بین راه به مانع خاصی برخورد ننماید و یا اینكه بخواهیم خروجی یك برج تقطیر را به حداكثر برسانیم بدون آنكه دما یا فشار گاز از حد مجازی

 بیشتر گردد به این ترتیب ممكن است قیدها برخروجی و یا حتی به متغیرهای وابسته دیگری اعمال شود . این نوع كنترل كه در آن مقصود به صورت چند هدف متمایز است كه باید بین آنها حد میانه ای انتخاب شود را نمی توان بص ورت یك سیستم خطی بیان نمود . در حالیكه كنترل پیش بین با یك قالب غیر خطی به ما این امكان را میدهد كه با این سیستمها به راحتی برخورد نماییم . بسیاری از سیستم هایی كه با آنها سروكار داریم سیستم هایی غیر خطی هستند با وجود این در خیلی اوقات سیستم غیر خطی حول نق طه ای پایدار در حال عملكرد است و بنابراین برای آن می توان یك مدل خطی در نظر گرفت امااین موضوع همیشگی

نیست یعنی همیشه نمی توان برای سیستم غیر خطی، مدلی خطی در نظر گرفت . مثلا بعضی از سیستمها عموماً در حالت گذرا عمل می نمایند و دارای نقطه كار پایدار نمی باشن د و بنابراین نمی توان مدل خطی برای آن در نظر گرفت . بنابراین استفاده از كنترل كننده های غیر خطی به منظور بهبود عملكرد سیستم اجتناب ناپذیر است كه البته این كار با مشكلاتی رو به رو است كه ازآ ن جمله می توان به ضعف روشهای شناسایی سیستم های غیر خطی، پیچیدگی و ح جم محاسبات در حل مساله كنترل پیش بین غیر خطی، عدم پایداری و مقاومت نتایج حاصله از سیستم های خطی جهت سیستم های غیر خطی و اینكه در بهینه سازی تابع هدف ممكن است پاسخ، پاسخ بهینه محلی باشد، اشاره نمود.

:
سیستم های كنترل مدرن روز به روز به جهت احتیاج به عملكرد بهتر در صنایع مدرن، پیچیده تر می گردند. از طرف دیگر، خرابی اجزاء سازنده مانند خرابی محرك ها، سنسورها و كنترل ها اجتناب ناپذیر می باشد. خطاها می توانند دینامیك را تغییر دهند و باعث كاهش عملكرد سیستم و یا حتی ناپایداری آن گردند. بنابراین مقاوم بودن در برابر خطا در طراحی سیستم كنترل لازم به نظر می رسد. یك سیستم كنترل مقاوم در برابر خطا سیستم كنترلی می باشد كه قابلیت تطبیق با خطای سیستم به صورت اتوماتیك را داشته باشد و كل سیستم را پایدار نگه دارد و در هنگام بروز خطا در اجزاء، عملكرد مطلوبی داشته باشد.
روش های طراحی مقاوم در برابر خطا می توانند به صورت گسترده ای به دو نوع تقسیم گردند: روش های غیرفعال (پسیو) مانند روش های تطبیق خطای مقاوم و غیره، و روش های فعال (اکتیو) مانند جایابی مقادیر ویژه، مدل های چندگانه، روش های تطبیقی، شبه معکوس و غیره. در روش پسیو، کنترل ثابتی در طول حالت نرمال و دارای خطا به کار گرفته می شود، و روش های ارزیابی عملكرد مختلفی مانند تابع هزینه می توانند جهت توصیف عملكرد سیستم های حلقه بسته با بهره كنترلی ثابت مورد استفاده قرار گیرند. از طرف دیگر، سیستم مقاوم در برابر خطا بر پایه روش های اكتیو می توانند برای خطاها عوض گردند كه این عمل یا با انتخاب یك قانون كنترلی از پیش محاسبه شده انجام می پذیرد و یا توسط ترکیب یک استراتژی کنترل جدید بهنگام صورت می گیرد. در این پژوهش از طراحی کنترل مقاوم در برابر خطای اکتیو استفاده شده است.
تقریبا تمام سیستم های كنترل دارای محدودیت هایی می باشند، برای مثال، ورودی ها همیشه مقادیر كمینه و بیشینه ای دارند. همچنین، وقتی محركی درست عمل نمی كند، به منظور دستیابی به اهداف كنترلی مانند ردیابی، فشار بیشتری بر روی محرك های سالم دیگر اعمال می گردد، كه می تواند منجر به اشباع محرك ها گردد. بنابراین مدنظر قرار دادن محدودیت ها مانند محدودیت های ورودی در طراحی

 كنترل مقاوم در برابر خطا لازم به نظر می رسد. در این پژوهش تكنیك كنترل مدل پیش بین MPC به عنوان استراتژی كنترل به منظور در نظر گرفتن محدودیت ها به كار گرفته شده است . كنترل مدل پیش بین یك نوع از كنترل است كه عمل كنترلی فعلی از حل بهنگام یك مسئله كنترل بهینه حلقه باز افق محدود در هر فاصله نمونه برداری، با استفاده از حالت فعلی پلنت به عنوان مقادیر اولیه ، بدست می آید؛ عمل بهینه سازی یك ترتیب كنترل بهینه را نتیجه می دهد و اولین كنترل در ترتیب به پلنت اعمال می گردد. یكی از مهمترین مزیت های كنترل مدل پیش بین توانایی آن در لحاظ نمودن محدودیت ها بر روی كنترل ها و حالت ها می باشد. همچنین، كنترل مدل پیش بین مقداری توانایی مقاوم بودن در برابر خطا را دارا می باشد.

در این پژوهش، یك ساختار كنترل مقاوم در برابر خطا اكتیو بر پایه تركیب كنترل مدل پیش بین با سیستم آشكار سازی و تشخیص خطا به منظور تطبیق خطا، طراحی گشته است. سیستم آشكار سازی و تشخیص خطا بر پایه تركیب روش های آماری مانند PCA و ICA جهت کاهش ابعاد داده و شبکه نرو-فازی به منظور ترکیب داده ها و آشکارسازی و تشخیص و طبقه بندی خطاها، می باشد. اطلاعات خطا توسط ماژول آشکارسازی و تشخیص خطا به دست می آید و سپس به منظور تصحیح فرمولاسیون کنترل مدل پیش بین مانند مدل داخلی به منظور افزایش قابلیت مقاوم بودن در برابر خطا به كار می رود.

مبدل های چند سطحی اولین بار در سال 1975 معرفی شدند. با توجه به افزایش تقاضا برای مبدل های با توان بالا، ولتاژ بالا و همچنین با در نظر گرفتن اینکه کلیدهای نیمه هادی نمی توانند در ولتاژها و توان های با رنج های بالا کار کنند تمایل به استفاده از مبدل های چند سطحی افزایش یافته است. گسترش استفاده از انرژی های نو و تجدیدپذیر مانند پیل های سوختی، سلول های خورشیدی و غیره… که عموماً دارای سطح ولتاژ dc با مقدار پایینی هستند استفاده از مبدل های چند سطحی را به عنوان یک تکنولوژی جدید برای تبدیل این انرژی ها به شکل موج با دامنه دلخواه بیشتر افزایش داده است. در حال حاضر توجه به مبدل های چند سطحی بیشتر و بیشتر شده است و این نوع مبدل ها پتانسیل خوبی برای توسعه و گسترش دارند.
یک مبدل چند سطحی به عنوان یک مبدل الکترونیک قدرت وسیله ای است که می تواند یک شکل موج پله ای دلخواه ولتاژ / جریان ac را با استفاده از چندین منبع ولتاژ / جریان dc به عنوان ورودی تولید نماید. براساس این تعریف مبدل های چند سطحی به دو دسته اصلی تقسیم می شوند:
– مبدل چند سطحی از نوع ولتاژ که در آن با استفاده از چندین منبع ولتاژ dc، ولتاژ ac مورد نظر تولید می شود.
– مبدل چند سطحی از نوع جریان که در آن با استفاده از چندین منبع جریان dc، جریان مورد نظر ac تولید می شود.

مهمترین نوع مبدل چند سطحی که بیشتر در مقالات تشریح می شود مبدل منبع ولتاژ است، اما در بعضی از کاربردها مانند فیلترهای اکتیو موازی، جبران کننده VAr و غیره نیاز به مبدل چند سطحی از نوع منبع جریان است.

2- مبدل چند سطحی از نوع ولتاژ
در این نوع مبدل ها ولتاژ خروجی مطلوب با استفاده از چندین منبع ولتاژ dc با اندازه های کوچک به عنوان ورودی ایجاد می شود. با افزایش تعداد منابع ولتاژ dc در سمت ورودی، می توان در خروجی مبدل، ولتاژ با شکل موج نزدیک به سینوسی تولید کرد. شکل (1) ساختار پایه یک مبدل چند سطحی از نوع منبع ولتاژ را نشان می دهد. این مدار از 4 کلید قدرت و یک منبع ولتاژ dc تشکیل شده است. در این مبدل هر کلید از یک IGBT و یک دیود با اتصال موازی – معکوس تشکیل شده است. در صورتی که بار مبدل، اهمی خالص باشد نیازی به دیودها نخواهد بود. این مبدل قادر است سه سطح ولتاژ (Vdc،- 0، +Vdc) در ترمینال های خروجی خود ایجاد کند. در صورتی که کلیدهای S1 و S4 روشن باشند ولتاژ خروجی مبدل Vdc+ و اگر کلیدهای S2 و S3 روشن باشند ولتاژ خروجی Vdc- خواهد شد. جهت ایجاد ولتاژ صفر در خروجی مبدل باید کلیدهای S1 و S2 و یا S3 و S4 به طور همزمان روشن شوند. توجه شود که اگر کلیدهای واقع در یک بازوی پل، به طور همزمان روشن شوند منجر به اتصال کوتاه شدن منبع ولتاژ dc ورودی خواهد شد. شکل(2) یک نمونه از ولتاژ خروجی این مبدل را نشان می دهد. مطابق شکل(2) در این مبدل هر عنصر کلیدزنی در هر سیکل از ولتاژ خروجی فقط یک بار سوئیچ می شود در نتیجه تلفات کلیدزنی به طور قابل ملاحظه ای کاهش خواهد یافت. این روش کلیدزنی تحت عنوان کلیدزنی فرکانس پایه معروف است.
3- مبدل چند سطحی از نوع جریان
در این نوع از مبدل ها، از منبع جریان به جای منبع ولتاژ در ورودی های مبدل استفاده می شود. توجه شود که معمولاً برای ساخت منبع جریان dc از سلف های بزرگ استفاده می شود در صورتی که در منابع ولتاژ از خازن های بزرگ استفاده می کنند. شکل(3) یک نمونه از مبدل های چند سطحی از نوع منبع جریان را نشان می دهد. مبدل نشان داده شده در شکل (3) قادر است سه سطح جریان (Idc+، 0، -Idc) را در خروجی خود تولید کند. نحوه عملکرد این مبدل مشابه مبدل نشان داده شده در شکل (1) است. با توجه به محدودیت هایی که در اندازه منابع dc جریان در عمل وجود دارد از این نوع مبدل ها، در عمل کمتر و یا استفاده نمی شود. بنابراین در این تحقیق، تمرکز بر روی مبدل های چند سطحی از نوع ولتاژ خواهد بود.

:
هدف از انجام این پروژه دستیابی به تقویت کننده ای با حاصل ضرب گین در پهنای باند بزرگتر با بهینه سازی روش های موجود و حتی الامکان تلاش برای یافتن راهکارهای جدید بوده و از مهمترین مسائل مورد توجه همواری و خطی بودن اندازه و فاز بهره در سراسر پهنای باند است.
در فصل اول این گزارش ی بر تقویت کننده های پهن باند با تأکید بیشتر بر تقویت کننده های گسترده موج متحرک ارائه شده و سپس رویه کلاسیک طراحی یک تقویت کننده گسترده موج متحرک که پایه و اساس تمام کارهای بعدی در این زمینه می باشد، به تفصیل بیان شده است. فصل دوم شامل سایر روش های طراحی و متدهای مهم بهینه سازی تقویت کننده های گسترده موج متحرک می باشد. یکی از مهمترین نیازهای یک تقویت کننده گسترده زیرساخت ادوات نیمه هادی (ترانزیستور)، زیرلایه مورد استفاده برای مدار، خطوط انتقال و در نهایت نحوه پیاده سازی و ساخت مدار است. بدین معنی که اولاً باید بتوانند در سراسر پهنای باندی که تقویت کننده گسترده در آن کار می کند (چند ده گیگا هرتز) عملکرد مطلوبی ارائه دهند یعنی حداقل ممکن حساسیت را به تغییرات فرکانس داشته باشند. خطوط انتقال به کار رفته (مایکرواستریپ، CPW و غیره) نیز باید حداقل پراش، تلفات و تفاوت فاز را به مدار تحمیل نمایند. زیر لایه ای که مدار روی آن پیاده سازی می شود نباید در فرکانس های بالا از خود اثرات تخریبی از جمله اتلاف و تضعیف سیگنال بروز دهد. در نهایت پیاده سازی مدار باید با حداقل ممکن طول و تعداد اتصالات انجام شود که تکنولوژی فلیپ چیپ و CSP برای این کار پیشنهاد می شود. به دلیل اهمیت و تأثیر زیاد این مسائل زیرساختی که از اولین مراحل طراحی گرفته تا شبیه سازی و ساخت یک DA کاملاً نمایان هستند، فصل سوم را به بحث پیرامون این موضوعات اختصاص داده ایم. تا اینجا مطالب لازم برای ایجاد دید روشن از مسئله کاملاً در گزارش درج شده است.
فصل آخر با طراحی مدار اولیه به روش کلاسیک آغاز و در ادامه روش نوینی برای بهینه سازی عملکرد مدار ارائه شده است. روش ساده ای که بدون افزودن حتی یک المان به مدار اولیه در عین بهبود گین از نقطه نظر اندازه و هموار بودن و نیز افزایش پهنای باند، عدد نویز را هم کمتر می کند و این همه فقط به قیمت افزایش بسیار کم تأخیر گروهی رخ می دهد. در ضمن با اضافه کردن فقط یک ترانزیستور دیگر به خروجی مدار به شکل تقویت کننده درین – مشترک و ایجاد تطبیق به یک روش خاص (استفاده از سلف هائی هم اندازه آخرین سلف مدار قبلی) اندازه گین باز هم افزایش یافته است. روشی که در نوع خود جدید است.

در نتیجه با استفاده از این سه مورد نوآوری به تقویت کننده ای دست یافته ایم که اندازه بهره آن به طور متوسط 10dB نسبت به مدار کلاسیک بالاتر است و با توجه به اینکه بهره مدار کلاسیک در بالاترین حد خود 7/4273dB می باشد پس اندازه بهره بیش از 130 درصد

 بهبود یافته. عدد نویز در تقویت کننده کلاسیک از 3/7dB در فرکانس های پایین شروع می شود. سپس در فرکانس 43/4GHz به حداقل مقدارش یعنی 3/1dB می رسد. در حالی که در تقویت کننده جدید عدد نویز از 3/5dB در فرکانس های پایین شروع می شود، در فرکانس 31GHz به حداقل مقدارش یعنی 1/343dB می رسد و تا فرکانس 48/34GHz از مورد کلاسیک کمتر است. یعنی در پهنای باند بیش از 48GHz به طور متوسط بیش از 1dB بهبود عدد نویز (معادل با حدوداً 33 درصد بهینه سازی عدد نویز).

بهره تقویت کننده کلاسیک در فرکانس 1GHz در بالاترین حد خود یعنی 7/4273dB قرار دارد و در فرکانس حدود 32/5GHz به 4/42dB می رسد. یعنی پهنای باند 3dB تقویت کننده کلاسیک برابر 32/5 گیگا هرتز است. ولی گین تقویت کننده جدید در 1GHz برابر 8dB است و در 58/7GHz به 5dB می رسد. پس پهنای باند از 32 به 58 گیگاهرتز رسیده است. یعنی بهبودی معادل 81/2 درصد در پهنای باند.
نکته جالب توجه دیگر این است که روش جدید، در عین اینکه عملکرد تقویت کننده را در سراسر پهنای باند فرکانسی از پایین ترین تا بالاترین بسامد بهبود می بخشد، در فرکانس های میانی (با بیش از 30GHz پهنای باند میانی از 17GHz تا 48GHz) پاسخی نزدیک به یک حالت ایده آل از خود بروز می دهد. با قرار دادن یک فیلتر میان گذر در این محدوده فرکانسی تقویت کننده گسترده میان گذری با گین بالا و هموار و عدد نویز پایین حاصل شد.
پس از آن برای دستیابی به پاسخ پایین گذر هموارتر، بخش های آخر فصل چهارم به روش های غیرکلاسیک طراحی DA می پردازد. در این قسمت با استفاده از دو متد مختلف، تقویت کننده های گسترده ای با پاسخ پایین گذر طراحی شده اند و بعد با بهینه سازی پاسخی بسیار هموار در محدوده فرکانس پایین به دست آمده است. نکته ارزشمند در طراحی این تقویت کننده ها اعمال عملکرد فیلتر پایین گذر به ساختار خود DA و کوچک سازی مدار است.
در نهایت پس از نتیجه گیری، پیشنهادی مبنی بر اجرای یک پروژه با همکاری گروهی متخصصان تقویت کننده های گسترده از یک سو و ادوات نیمه هادی از سوی دیگر با هدف طراحی و ساخت DAهای پیشرفته در ایران ارائه شده است. پیشنهاد دوم طراحی و بهینه سازی فیلتر میان گذری است که بین 17 تا 48 گیگاهرتز دارای پاسخ ایده آلی با حداکثر درجه همواری گین و حداقل تلفات باشد.