اكتسبت محركات التيار المستمر بدون فرشاة (BLDC) شعبية كبيرة في مجموعة واسعة من الصناعات بسبب كفاءتها وموثوقيتها وقدرتها على توفير التحكم الدقيق. أحد التحديات الشائعة التي تواجهها عند استخدام محركات التيار المستمر بدون فرشاة القائمة على مستشعر تأثير هول هو اندفاع السرعة الذي يحدث في البداية. يمكن أن تكون هذه المشكلة مشكلة في التطبيقات حيث يكون التشغيل السلس والمتحكم للمحرك أمرًا بالغ الأهمية. في هذه المقالة، سنستكشف أسباب اندفاعات السرعة عند بدء التشغيل ونقدم العديد من الاستراتيجيات للتخفيف من المشكلة أو القضاء عليها.
فهم انفجارات السرعة في محركات BLDC ذات تأثير هول
تحدث طفرات السرعة في محرك BLDC عندما يتسارع المحرك بسرعة تتجاوز السرعة المطلوبة أثناء مرحلة بدء التشغيل الأولية. يمكن أن يتسبب هذا التسارع المفاجئ في حدوث إجهاد ميكانيكي، وانخفاض التحكم، وتلف الحمل المتصل بالمحرك. يحدث هذا عادةً بسبب عدم المزامنة الصحيحة بين موضع الدوار والتبديل الإلكتروني الذي توفره أجهزة استشعار هول.
من أجل الحفاظ على السرعة الصحيحة للمحرك، يقوم المتحكم بتعديل التيار والجهد بناءً على التغذية الراجعة من مستشعرات هول في محرك BLDC، والتي تستشعر موضع الدوار. ومع ذلك، أثناء بدء التشغيل، قد يكون هناك تأخير في إشارات مستشعر هول، مما يؤدي إلى تبديل غير دقيق وزيادة في السرعة.
أسباب زيادة السرعة عند بدء التشغيل
اكتشاف موضع الدوار الأولي غير الصحيح: في محرك BLDC المستند إلى مستشعر هول، قد لا يتم اكتشاف الموضع الأولي للدوار بشكل صحيح، مما يؤدي إلى تسلسلات تبديل غير صحيحة. يتسبب هذا المحاذاة الخاطئة في تجاوز المحرك للسرعة أو التسارع بشكل لا يمكن التحكم فيه قبل الاستقرار عند السرعة المطلوبة.
- جهد/تيار بدء مرتفع: عندما يبدأ المحرك، فإنه يتطلب جهد/تيار أولي لتوليد عزم دوران كافٍ للتغلب على القصور الذاتي. إذا كان جهد/تيار البدء مرتفعًا جدًا، فقد يؤدي ذلك إلى تسارع مفرط واندفاع مفاجئ للسرعة.
- تأخير خوارزمية وحدة التحكم: قد تقدم وحدة التحكم تأخيرًا عند قراءة ردود فعل مستشعر هول أثناء بدء التشغيل. يمكن أن يتسبب وقت الاستجابة البطيء في تلقي المحرك لإشارات تيار غير مناسبة، مما يؤدي إلى ظروف سرعة زائدة مؤقتة.
خوارزميات التحكم في بدء التشغيل غير الكافية: تم تصميم العديد من وحدات تحكم محرك BLDC بخوارزميات تحكم في بدء التشغيل مبسطة لا تأخذ في الاعتبار السلوك الديناميكي للمحرك أثناء بدء التشغيل. بدون زيادة دقيقة في سرعة المحرك، يمكن أن يؤدي هذا إلى اندفاعات السرعة. - عزم الحمل العالي: يمكن أن يتسبب الحمل الثقيل المتصل بالمحرك أيضًا في اندفاع السرعة أثناء بدء التشغيل. يحاول المحرك التغلب على عزم الحمل بسرعة، مما يؤدي إلى زيادة أولية في السرعة.
حلول لمعالجة مشكلة زيادة السرعة في محركات Hall BLDC
يمكن استخدام العديد من التقنيات لمنع طفرات السرعة عند بدء التشغيل وضمان تشغيل المحرك بسلاسة. فيما يلي بعض الحلول الأكثر نجاحًا:
وضع خوارزمية البداية الناعمة
تعد إحدى أكثر الطرق فعالية للتخفيف من حدة طفرات السرعة هي دمج خوارزمية بدء التشغيل الناعم في نظام التحكم في المحرك. تتضمن هذه الطريقة زيادة الطاقة المقدمة للمحرك تدريجيًا أثناء بدء التشغيل، مما يسمح بزيادة السرعة بشكل متحكم فيه.
- التحكم في المنحدر: من خلال تنفيذ التحكم في المنحدر، يتم زيادة جهد المحرك أو تياره تدريجيًا. وهذا يمنع حدوث ارتفاع مفاجئ في عزم الدوران، وبالتالي في السرعة. غالبًا ما يتم استخدام وقت منحدر نموذجي يتراوح بين 200 و500 مللي ثانية، اعتمادًا على مواصفات المحرك.
- التحكم في الحلقة المغلقة: يتيح استخدام آلية التغذية الراجعة في الحلقة المغلقة لوحدة التحكم مراقبة سرعة الدوار وضبط الطاقة وفقًا لذلك. يساعد هذا التعديل في الوقت الفعلي على تجنب الاندفاعات المفاجئة في السرعة.
أظهرت البيانات أنه باستخدام نهج التحكم في المنحدر، يمكن تقليل تجاوز السرعة بنسبة تصل إلى 80%، مما يؤدي إلى بدء تشغيل أكثر سلاسة. على سبيل المثال، أظهر اختبار تم إجراؤه على محرك BLDC بقوة 200 وات أن السرعة القصوى أثناء بدء التشغيل انخفضت من 3000 دورة في الدقيقة إلى 600 دورة في الدقيقة مع تنفيذ التحكم في المنحدر.
اكتشاف الموضع ومحاذاة الدوار
يعد ضبط محاذاة الدوار الأولية بشكل صحيح أمرًا بالغ الأهمية لتقليل طفرات السرعة. عند بدء التشغيل، يجب أن يحدد المتحكم الموضع الأولي للدوار بدقة لضمان أن دورة التبديل الأولى تولد أدنى حد من تموج عزم الدوران.
- التموضع المسبق: يمكن لخطوة التموضع المسبق، حيث يتم تثبيت الدوار في وضع محدد قبل بدء الدوران، أن تقلل من طفرات عزم الدوران. وهذا يضمن محاذاة الدوار والثابت بطريقة تجعل تدفق التيار الأولي يولد عزم دوران متحكم فيه.
- معايرة مستشعر هول: يمكن أن تساعد معايرة مستشعرات هول بشكل أكبر في تقليل التأخير في اكتشاف الموضع، مما يؤدي إلى تبديل أفضل وتقليل طفرات السرعة.
في دراسة شملت محرك Hall BLDC بقوة 150 واط، أدى تنفيذ التموضع المسبق إلى تقليل تموج عزم بدء التشغيل بنحو 50%، مما أدى مباشرة إلى ملف تعريف سرعة أكثر استقرارًا.
الحد الحالي عند بدء التشغيل
يمكن تطبيق تقنيات الحد من التيار أثناء مرحلة بدء التشغيل لمنع التيارات المفاجئة، والتي غالبًا ما تؤدي إلى اندفاعات السرعة.
- وحدة التحكم في التيار: من خلال استخدام وحدة تحكم في التيار تحدد الحد الأقصى للتيار المسموح به عند بدء التشغيل، يمكن حماية المحرك من توليد عزم دوران مفرط. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي استخدام وحدة تحكم تناسبية تكاملية (PI) لتنظيم التيار خلال أول 100-200 مللي ثانية إلى تنعيم تسلسل بدء التشغيل بشكل كبير.
- التبديل الناعم: تساعد تقنيات التبديل الناعم، حيث يتم زيادة دورة عمل PWM تدريجيًا، في التحكم في تيار الاندفاع. وهذا يضمن أيضًا أن عزم الدوران الناتج يتناسب مع السرعة المطلوبة، مما يمنع تجاوز الحد.
أظهرت البيانات من التجارب التي أجريت على محرك BLDC بقوة 300 واط أن تحديد التيار أثناء بدء التشغيل أدى إلى تقليل ذروة التيار من 15 أمبير إلى 8 أمبير، مما أدى إلى تسارع أكثر تحكمًا والقضاء على اندفاع السرعة.
تحسين التحكم في التبديل
يعد التبديل الدقيق أمرًا حيويًا لضمان التشغيل السلس عند بدء التشغيل. يمكن تحسين عملية التبديل من خلال تقنيات الاستشعار المتقدمة وخوارزميات التحكم المحسّنة.
- تقنيات التحكم بدون مستشعرات: على الرغم من استخدام مستشعرات هول بشكل شائع، فإن دمج تقنيات التحكم بدون مستشعرات كمكمل يمكن أن يوفر تقديرًا أكثر دقة لموضع الدوار، وخاصة أثناء بدء التشغيل. وهذا يضمن حدوث التبديل بدقة عند الحاجة، مما يقلل من ارتفاعات عزم الدوران.
- FOC (التحكم الموجه نحو المجال): التحكم الموجه نحو المجال هو استراتيجية تحكم متقدمة توفر تحكمًا دقيقًا في المجال المغناطيسي للمحرك، مما يؤدي إلى تحكم أفضل في عزم الدوران. على الرغم من أنه أكثر كثافة حسابيًا، إلا أن FOC يمكنه القضاء فعليًا على اندفاعات السرعة عن طريق محاذاة مجال الجزء الثابت تمامًا مع موضع الدوار أثناء بدء التشغيل.
في الاختبارات التي تمت للمقارنة بين التبديل التقليدي المكون من ست خطوات وFOC، شهد محرك BLDC بقوة 400 واط انخفاضًا بنسبة 60% في اندفاع السرعة عند استخدام FOC، مما يوضح فعالية هذا النهج.
ضبط تردد PWM
يلعب تردد تعديل عرض النبضة (PWM) دورًا حاسمًا في تحديد سلاسة بدء تشغيل المحرك. يؤدي ارتفاع تردد تعديل عرض النبضة إلى تحكم أدق في التيار المزود للملفات، مما يقلل من فرص حدوث زيادة في السرعة.
التردد الأمثل: إن زيادة تردد PWM إلى نطاق بين 20 كيلوهرتز و30 كيلوهرتز يمكن أن يحسن بشكل كبير من دقة التحكم في التيار، مما يؤدي إلى بدء تشغيل أكثر سلاسة. ومع ذلك، يجب أخذ المقايضة في الاعتبار، لأن الترددات الأعلى يمكن أن تؤدي إلى خسائر تحويل أعلى.
أشار اختبار تم إجراؤه على محرك BLDC بقوة 250 وات إلى أن زيادة تردد PWM من 10 كيلو هرتز إلى 25 كيلو هرتز أدى إلى تقليل سرعة الانفجار بنسبة 40%، مما يضمن تسارعًا أكثر تدريجية.
مثال عملي: الجمع بين التقنيات لتحقيق الأداء الأمثل
ولتوضيح تنفيذ هذه الحلول بشكل أفضل، دعونا نفكر في مثال يتضمن محرك Hall BLDC بقوة 300 واط يستخدم في تطبيق مروحة صناعية. كانت المشكلة الأولية التي تم ملاحظتها هي زيادة السرعة التي وصلت إلى 3500 دورة في الدقيقة في غضون 100 مللي ثانية، مما تسبب في إجهاد ميكانيكي وضوضاء مسموعة.
تم تطبيق الحلول التالية:
- خوارزمية التشغيل الناعم: تم تنفيذ زيادة في الجهد الكهربائي تزيد عن 500 مللي ثانية، مما أدى إلى تقليل ارتفاع السرعة الأولي إلى 800 دورة في الدقيقة.
- التموضع المسبق للدوار: تم برمجة وحدة التحكم في المحرك لمحاذاة الدوار قبل بدء التشغيل، مما يقلل من تموج عزم الدوران.
- تحديد التيار: تم تطبيق حد تيار يبلغ 10 أمبير أثناء بدء التشغيل، نزولاً من 18 أمبير سابقًا، مما قلل من عزم الدوران الأقصى الناتج.
- تبديل محسّن مع FOC: تم دمج التحكم الموجه نحو الحقل، مما أدى إلى مزيد من سلاسة تسلسل بدء التشغيل وتقليل الاندفاع الأولي إلى مستويات لا تذكر.
بعد تطبيق هذه الحلول، أشارت البيانات إلى انخفاض كبير في تجاوز السرعة، حيث وصل المحرك إلى سرعته المستهدفة البالغة 3000 دورة في الدقيقة بطريقة محكومة على مدار 1.5 ثانية، دون أي اندفاعات مفاجئة. كما تم تقليل الضغط الميكانيكي، وتحسنت موثوقية النظام بشكل عام.
يتضمن حل مشكلة اندفاعات السرعة عند بدء تشغيل محرك BLDC ذي تأثير هول مزيجًا من تقنيات التحكم المتقدمة وضبط المعلمات بعناية وحلول الأجهزة والبرامج المحسنة. تعد أنظمة التحكم ذات الحلقة المغلقة وآليات البدء السلس والتحكم الموجه نحو الحقل (FOC) والكشف الدقيق عن موضع الدوار من أكثر الاستراتيجيات فعالية للتخفيف من اندفاعات السرعة. من خلال تنفيذ هذه التقنيات، يمكن للمهندسين تحقيق تشغيل أكثر سلاسة للمحرك وتحسين الأداء وإطالة عمر المحرك والحمل المتصل به.