• زاویه روشن شدن در حداقل مقدار ممکنی تنظیم گردد که توان نامی با بهره گرفتن از روش جریان پیوسته در ناحیه توان ثابت توسعه یافته قابل حصول باشد

• زاویه هدایت در مقدار حداقل خود تنظیم گردد

• جریان مرجع باید در مقدار حداکثر خود تنظیم گردد به طوری که جریان موثر هر فاز در این حالت عملکرد، از مقدار جریان موثر نامی موتور بیشتر نشود

همچنین، اگرچه ریپل گشتاور در ناحیه توان ثابت توسعه یافته افزایش می یابد، لیکن در سرعت های بالا نوسان گشتاور به علت فرکانس بالای نوسانات نمی تواند روی سرعت اثر تعیین کننده داشته باشد.
فصل ششم
طراحی کنترل کننده فازی جهت کنترل موتور سوئیچ رلوکتانس در محدوده وسیع سرعت
در این فصل، ابتدا کنترل کننده طراحی شده در این تحقیق معرفی گردیده و جزئیات مربوط به آن به تفصیل شرح داده خواهد شد. سپس نتایج شبیه سازی عملکرد موتور در شرایط گشتاور و سرعت مختلف و در حالت عملکرد جریان پیوسته و ناپیوسته ارائه خواهد شد. در انتها، کنترل کننده با تغییرات اندکی که در آن اعمال شده است، جهت کنترل یک موتور سه فاز استفاده گردیده و مقاوم بودن آن نسبت به تغییر سیستم نشان داده شده است.
با توجه به اینکه در این تحقیق طراحی یک کنترل کننده در محدوده وسیع سرعت مورد نظر بوده است و در ضمن کنترل موتور در ناحیه توان ثابت توسعه یافته باید به صورت بهینه باشد، کنترل کننده فازی جهت تحقق این امر انتخاب گردید.
۶-۱- روش طراحی کنترل کننده فازی
به منظور کنترل سرعت موتور سوئیچ رلوکتانس، تاکنون روش های مختلف و یا به عبارتی کنترل کننده های مختلفی پیشنهاد شده است. به خاطر ماهیت غیر خطی موتور سوئیچ رلوکتانس، طراحی کنترل کننده های کلاسیک که مبتنی بر مدل موتور است، فرایند پیچیده ای دارد و به علاوه با تغییر پارامترهای موتور نیاز به تنظیم مجدد کنترل کننده است.
کنترل کننده های مبتنی بر روش جستجوی جدولی برای کنترل موتور سوئیچ رلوکتانس به خصوص هنگامی که مسئله بهینه سازی مطرح می شود، کاربرد بسیاری دارند. لیکن این دسته از کنترل کننده ها نیز نسبت به تغییر پارامترها مقاوم نیستند و با تغییر موتور نیاز به آنالیز مجدد موتور و ایجاد یک جدول جدید است. همانطور که در فصل اول بیان شد، تاکنون تنها کنترل کننده مبتنی بر روش جستجوی جدولی جهت کنترل موتور سوئیچ رلوکتانس در ناحیه عملکرد جریان پیوسته در تحقیقات قبلی پیشنهاد شده است ]۱۴ و ۱۵[. در روش مذکور، زاویه روشن شدن فازها، زاویه هدایت و مقدار موثر جریان در یک جدول ذخیره شده اند. این جدول با بهره گرفتن از شبیه سازی موتور ایجاد گردیده است. به منظور جبران خطا های مدلسازی و شبیه سازی که در ایجاد جدول به وجود آمده اند، زاویه هدایت در حین کنترل باز تنظیم می شود.

در این میان، دسته سوم کنترل کننده ها که کنترل کننده های هوشمند نام دارند، به خاطر عملکرد مطلوبشان و همچنین عدم نیاز به مدل سیستم، بیشتر در کنترل موتور سوئیچ رلوکتانس مورد توجه قرار گرفته اند ]۴۹-۵۴[. به خصوص کنترل کننده های فازی به خاطر مقاوم بودن نسبت به تغییر پارامترها و عدم قطعیت در سیستم تحت کنترل گزینه مناسبی برای کنترل موتور سوئیچ رلوکتانس هستند. لذا، به خاطر مشخصات غیر خطی موتور سوئیچ رلوکتانس به خصوص در ناحیه توان ثابت توسعه یافته به روش جریان پیوسته، کنترل کننده فازی جهت کنترل سرعت این موتور در نظر گرفته شده است که در ادامه روند طراحی آن شرح داده خواهد شد.
کنترل کننده باید بتواند نیازهای زیر را برآورده سازد:

• کنترل سرعت موتور در محدوده وسیع سرعت شامل حالت عملکرد جریان پیوسته و ناپیوسته با بهره گرفتن از کنترل زوایای روشن و خاموش شدن فازها و جریان مرجع

• کنترل بهینه موتور در حالت عملکرد جریان پیوسته بر اساس نتایج بدست آمده در فصل بهینه سازی

• ساختار کنترل کننده باید به گونه ای باشد که بتوان با تغییر جزئی در آن، انواع دیگر موتور سوئیچ رلوکتانس با تعداد قطب مختلف را نیز کنترل نمود

۶-۱- ۱- انتخاب ورودی و خروجی کنترل کننده
از آنجا که کنترل موتور در محدوده وسیع سرعت مد نظر است، کنترل باید با تغییر زوایای روشن و خاموش شدن فازها انجام شود. به عنوان یک قانون کلی، همانطور که در فصل سوم بیان شد، با افزایش سرعت مرجع باید زاویه روشن شدن کاهش یابد تا جریان زمان کافی برای افزایش داشته باشد. لیکن، تعیین دقیق زوایای روشن و خاموش شدن فازها باید بر اساس سرعت مرجع و گشتاور بار باشد. بنابراین، به منظور دستیابی به کنترل دقیق سرعت لازم است که سرعت مرجع و گشتاور بار برای کنترل کننده مشخص باشد. سرعت مرجع را به عنوان فرمان کنترل در اختیار داریم و نیازی به تخمین یا محاسبه آن نیست. لیکن، گشتاور بار مشخص نیست ولی تخمین یا اندازه گیری آن امکان پذیر است. اما استفاده از گشتاور به عنوان یک متغیر ورودی مناسب نیست. زیرا در حالت گذرا گشتاور به شدت تغییر می کند و باعث نوسان و ناپایداری می گردد. لذا در این تحقیق، از تغییرات خطای سرعت به عنوان شاخصی برای گشتاور استفاده شده است.
بر اساس مطالب مذکور، کنترل کننده دارای پنج ورودی است. ورودی ها عبارتند از : سرعت مرجع، خطای سرعت، تغییرات خطای سرعت، زاویه روشن شدن و زاویه هدایت. سرعت مرجع به عنوان اولین ورودی کنترل کننده انتخاب شده است. با بهره گرفتن از سرعت مرجع مشخص می گردد که زوایای روشن و خاموش شدن فازها در چه حدودی باید باشند و همچنین مشخص می گردد که آیا موتور می تواند وارد حالت عملکرد جریان پیوسته شود یا خیر. همچنین خطای سرعت به منظور حذف خطای حالت دائم به عنوان ورودی دوم کنترل کننده استفاده شده است. از آنجا که گشتاور بار به طور مستقیم اندازه گیری و یا تخمین زده نشده است، تغییرات خطای سرعت جهت تنظیم زوایای کنترلی به عنوان ورودی سوم کنترل کننده در نظر گرفته شده است. در حقیقت نرخ تغییرات خطای سرعت می تواند شاخصی از گشتاور بار و تغییرات گشتاور بار در نظر گرفته شود. علاوه بر آن، به منظور دست یابی به کنترل دقیق زوایای روشن و خاموش شدن فازها به ویژه در ناحیه توان ثابت توسعه یافته در هر لحظه مقادیر فعلی زاویه روشن شدن به کنترل کننده توسط ورودی چهارم وارد می شود. آخرین ورودی کنترل کننده مقدار فعلی زاویه هدایت است که نشان می دهد که آیا موتور در شرایط کار در ناحیه جریان پیوسته است یا خیر.
کنترل کننده دارای سه خروجی است. کنترل کننده باید بتواند مقادیر زوایای روشن و خاموش شدن هر فاز و همچنین جریان مرجع کنترل کننده جریان را تنظیم نماید. بنابراین، سه خروجی کنترل کننده شامل تغییرات زاویه روشن شدن فاز، تغییرات زاویه خاموش شدن فاز، و تغییرات جریان مرجع فاز است. در هر صد نمونه زمانی کنترل کننده مقادیر مثبت یا منفی کوچکی را جهت افزایش و یا کاهش مقادیر قبلی زوایای روشن شدن و خاموش شدن اضافه می نماید. همچنین در ناحیه توان ثابت توسعه یافته جریان مرجع باید افزایش یابد که این کار نیز توسط کنترل کننده انجام می شود و هنگامی که موتور وارد عملکرد در حالت جریان پیوسته شود جریان مرجع را تا مقدار حداکثر مجاز افزایش می دهد به نحوی که جریان موتور از مقدار نامی بیشتر نشود.
مقادیر اولیه ثابتی برای زاویه روشن شدن، زاویه خاموش شدن، و جریان مرجع در نظر گرفته شده است که این مقادیر به ترتیب عبارتند از : ۲۲ درجه، ۵۰ درجه و ۱۹ آمپر. انتخاب مقدار اولیه جریان مرجع بر اساس جریان نامی موتور در حالت عملکرد ناپیوسته است و در حالت عملکرد جریان پیوسته کنترل کننده باید سه آمپر به آن اضافه نماید. مقدار اولیه زاویه روشن شدن فاز، مقدار کمی انتخاب شده تا برای نقاط کار مختلف، سرعت پاسخ سیستم بالا باشد. مقدار اولیه زاویه خاموش شدن فاز زیاد انتخاب شده تا برای همه نقاط کار موتور مناسب بوده و نیازی به تغییر زیاد در آن نباشد.
یک محدود کننده به منظور محدود کردن زاویه روشن شدن بین ۱۷ درجه تا ۴۷ درجه و یک محدود کننده برای زاویه خاموش شدن بین ۴۷ درجه تا ۵۴ درجه و یک محدود کننده برای جریان مرجع بین ۱۹ آمپر و ۲۲ آمپر در نظر گرفته شده است . مقادیر بالا و پایین این محدود کننده ها بر اساس جریان نامی موتور و تعداد قطب موتور انتخاب شده اند.
۶-۱- ۲- انتخاب توابع عضویت
تعداد، شکل و پارامترهای توابع عضویت برای هر متغیر ورودی بر روی پاسخ سیستم اثر می گذارد. همانطور که بیان شد، در ابتدا لازم است که سرعت مورد نیاز برای کنترل کننده مشخص گردد و بدین منظور سرعت مرجع به عنوان ورودی اول به کنترل کننده داده می شود. لذا، لازم است که توابع عضویت مناسبی برای محدوده سرعت موتور که در این تحقیق از صفر تا ۱۵۰۰۰ دور در دقیقه است در نظر گرفته شود.
هشت تابع عضویت برای متغیر ورودی اول در نظر گرفته شده است. این تعداد بر اساس دقت مورد نیاز تعیین می شود. شکل توابع عضویت برای متغیر ورودی اول که همان سرعت مرجع است، در شکل۶-۱ نشان داده شده است. به طور تقریبی به ازای هر ۲۰۰۰ دور در دقیقه یک تابع عضویت تعریف شده است. دو تابع عضویت برای سرعت مرجع از صفر تا ۲۵۰۰ دور در دقیقه که حداکثر سرعت ناحیه توان ثابت طبیعی موتور است. سه تابع عضویت برای ناحیه توان ثابت توسعه یافته، و سه تابع عضویت برای سرعتهای بالاتر از ناحیه توان ثابت توسعه یافته.
تعداد سی و دو تابع عضویت برای متغیر ورودی دوم کنترل کننده، یعنی خطای سرعت، در نظر گرفته شده است. از آنجا که محدوده سرعت از صفر تا ۱۵۰۰۰ دور در دقیقه است، محدوده خطا از ۱۵۰۰۰- تا ۱۵۰۰۰+ دور در دقیقه خواهد بود. برای متغیر ورودی سوم، که همان تغییرات خطای سرعت است، یازده تابع عضویت اختصاص یافته است که در شکل ۶-۲ نشان داده شده است و تعداد و پارامترهای توابع عضویت این متغیر نقش مهمی در حالت گذرا و از بین بردن نوسانات سرعت در حالت دائم دارد. اختصاص تعداد توابع عضویت بیشتر حول صفر دقت پاسخ را بیشتر کرده و نوسانات سرعت را کاهش می دهد. تعداد ۱۱ تابع عضویت مطابق شکل ۶-۲ برای سه متغیر خروجی کنترل کننده نیز در نظر گرفته شده است.
به ترتیب، هفت و شش تابع عضویت برای ورودی های چهارم و پنجم در نظر گرفته شده است. در انتخاب توابع عضویت زاویه هدایت باید این نکته در نظر گرفته شود که محدوده زاویه هدایت جریان پیوسته و ناپیوسته به خوبی از هم جدا شوند.

شکل ۶-۱- توابع عضویت در متغیر ورودی اول (سرعت مرجع)

شکل ۶-۲- توابع عضویت در متغیر ورودی سوم (تغییرات خطای سرعت)
۶-۱- ۳- ایجاد پایگاه قوانین
کنترل کننده باید قادر به کنترل موتور در سه حالت در محدوده وسیعی از سرعت باشد.

• حالت اول هنگامیست که سرعت مرجع کمتر از ۲۵۰۰ دور بر دقیقه است. سرعت ۲۵۰۰ دور در دقیقه حداکثر سرعتی است که موتور در ناحیه توان ثابت طبیعی و بدون استفاده از روش جریان پیوسته دارد.

• حالت دوم هنگامیست که سرعت مرجع بیشتر از ۲۵۰۰ دور در دقیقه است ولی توان خروجی مطلوب می تواند با بهره گرفتن از روش جریان ناپیوسته بدست آید. مسلماً در این حالت گشتاور بار کم بوده و توان خروجی مطلوب کمتر از توان نامی موتور است.

• حالت سوم هنگامیست که سرعت مرجع بزرگتر از ۲۵۰۰ دور در دقیقه و توان خروجی مطلوب فقط با بهره گرفتن از روش جریان پیوسته قابل دست یابی است.

همانطور که قبلاً اشاره شد، تنظیم زوایای روشن و خاموش شدن هر فاز باید بر اساس سرعت مرجع و گشتاور بار انجام شود. لیکن، رابطه پیچیده ای بین این زوایا و توان خروجی وجود دارد. به همین دلیل، ایجاد یک پایگاه قوانین که بتواند با چند قانون کلی موتور را در محدوده وسیع سرعت شامل حالت عملکرد جریان پیوسته کنترل کند، عملاً امکان پذیر نیست. برای روشنتر شدن این موضوع، به عنوان مثال سه نقطه کار موتور را در نظر می گیریم.
فرض شود که کنترل موتور در سرعت ۵۰۰، ۴۰۰۰، و ۸۰۰۰ دور در دقیقه مد نظر باشد. در سرعت مرجع ۵۰۰ دور در دقیقه، اگر گشتاور بار در مقدار حداکثر خود باشد، زوایای روشن و خاموش شدن باید به ترتیب در حدود ۴۲ و ۵۰ درجه تنظیم شوند. برای گشتاور بار کمتر این مقادیر در حدود ۴۷ و ۵۰ درجه خواهند بود. در سرعت ۴۰۰۰ دور در دقیقه، اگر موتور بی بار باشد، زوایای روشن و خاموش شدن باید به ترتیب در حدود ۳۴ و ۵۰ درجه تنظیم شوند. اگر گشتاور بار زیاد باشد، زاویه روشن شدن باید در حدود ۱۸ درجه و زاویه خاموش شدن باید بر اساس نیاز به اعمال روش جریان پیوسته یا ناپیوسته در حدود ۴۸ درجه یا بالاتر تنظیم شود. در سرعتهای ۸۰۰۰ دور در دقیقه و بالاتر از آن، زاویه روشن شدن قطعاً کمتر از ۲۰ درجه و در حدود ۱۸ درجه و زاویه خاموش شدن باید بر اساس نیاز به اعمال روش جریان پیوسته یا ناپیوسته در حدود ۴۸ درجه یا بالاتر تنظیم شود.
با توجه به مثال فوق، ارائه یک مجموعه قانون برای کل محدوده سرعت، بدون در نظر گرفتن سرعت مرجع عملاً امکان پذیر نیست. راه حل ارائه شده در این تحقیق، تقسیم بازه سرعت مرجع به قسمتهای کوچکتر و تنظیم قوانین برای هر قسمت است. تقسیم بازه تغییرات سرعت مرجع توسط هشت تابع عضویت انجام شده است که در آن تقریباً به ازای هر ۲۰۰۰ دور در دقیقه یک تابع عضویت تعریف شده است. در نتیجه می توان برای هر محدوده ۲۰۰۰ دور در دقیقه یک سری قوانین تنظیم نمود. به عنوان مثال، برای سرعتهای ۳۰۰۰ تا ۵۰۰۰ دور در دقیقه، قوانین یکسانی وجود دارد و البته روند تغییرات زوایای روشن و خاموش شدن در این محدوده سرعت برای دستیابی به مقادیر مختلف توان خروجی مطلوب، بسیار به هم نزدیک است.
به منظور ایجاد پایگاه قوانین برای کنترل کننده فازی ۱۹۰ قانون اصلی طراحی شده است. تعداد ۷۰ قانون اصلی به سرعت های کمتر از ۲۵۰۰ دور بر دقیقه و ۱۲۰ قانون اصلی دیگر برای سرعت های بالای ۲۵۰۰ دور بر دقیقه در نظر گرفته شده است. این قوانین اصلی برای هر تابع عضویت سرعت مرجع تکرار شده اند. این بدان معناست که لازم نیست برای هر محدوده سرعت یا به عبارتی برای هر تابع عضویت سرعت مرجع، قوانین جدیدی نوشته شود. بلکه فرم کلی قوانین یکسان بوده و پس از تکرار، برخی از آنها تنظیم می شوند. به عبارت دیگر قوانین اصلی بر اساس مقادیر مختلف خطای سرعت نوشته میشوند، مانند هنگامی که خطای سرعت برابر با سرعت مرجع و یا خطای سرعت نصف سرعت مرجع و یا خطای سرعت یک چهارم سرعت مرجع است . بنابراین با بهره گرفتن از سرعت مرجع محدوده خطای سرعت مشخص می شود و قوانین اصلی می توانند برای هر سرعت مرجع به راحتی تکرار شوند. سپس تعدادی از قوانین تکرار شده برای هر تابع عضویت سرعت مرجع تنظیم می گردند.
برای مثال، همانطور که در شکل ۶-۱ نشان داده شده است، دو تابع عضویت برای سرعت های مرجع که کمتر از ۲۵۰۰ دور بر دقیقه هستند، تخصیص داده شده است و این توابع عضویت به صورت W500, W2000 نامگذاری شده اند. قانون زیر برای تابع عضویت w500 که به سرعتهای مرجع حدود ۵۰۰ دور در دقیقه اختصاص یافته است، نوشته شده است.
If (‘wr’ is ‘w500’) and (‘e’ is ‘p500’) and (‘de’ is NVB)
then (‘Delta-turn-on-angle’ is ‘PVB’) and (‘Delta-turn-off-angle’ is ‘Z’)
قانون فوق می تواند برای تابع عضویت w2000 که به سرعتهای مرجع حدود ۲۰۰۰ دور در دقیقه اختصاص یافته است، با تغییرات اندکی به صورت زیر تکرار شود.
If (‘wr’ is ‘w2000’) and (‘e’ is ‘p2000’) and (‘de’ is NVB)
then (‘Delta-turn-on-angle’ is ‘PS’) and (‘Delta-turn-off-angle’ is ‘Z’)