متدهای کنترلی درایو (بخش اول)

درایوهای کنترل دور می‌توانند از چند صد تا بیش از هزار پارامتر داشته باشند. دانستن این که کدام یک را باید چگونه تنظیم کنیم از اهمیت بالایی برخوردار است. کدام پارامترها مهم هستند و کدامیک اهمیت خاصی ندارند. مسلماً یکی از مهم‌ترین پارامترهای درایوها که گاهی اوقات بی اهمیت در نظر گرفته می‌شود، پارامتری است که «روش کنترل» را تعیین می‌کند. تنظیم یک درایو  برای روش کنترل صحیح می‌تواند یک فرآیند را تحت تاثیر خود قرار دهد. هنگامی که درک درستی از مزایا، معایب و مشخصات خاص برای هر روش کنترل ایجاد شد، انتخاب روش مناسب برای فرآیند شما ساده است.

تعریف روش کنترل

اول از همه، “روش کنترل” چیست؟ بسیاری از افراد در صنعت فکر می‌کنند که یک روش کنترلی، روشی معمولی مورد استفاده برای کنترل درایوها است. مانند راه اندازی 2 سیمه یا 3 سیمه. یک راه‌اندازی 2 یا 3 سیمه، ترمینال‌های کنترلی درایو را روی پارامترهای ثابت یا دکمه‌های فشار لحظه‌ای برای شروع و توقف درایو تنظیم می‌کند.

روش کنترلی که این مقاله بر روی آن تمرکز دارد در واقع نحوه کنترل عملکرد موتور را توسط درایو تعیین می‌کند. برای تشخیص بیشتر می توانید آن را روش کنترل موتور بنامید. اکنون باید مشخص شود که چرا این امر برای همه کاربردها اهمیت زیادی دارد.  4 نوع اصلی از روش های کنترل موتور برای کنترل موتورهای القایی متصل به درایو استفاده می شود. آنها عبارتند از:

• V/F (ولتاژ بر فرکانس)
• V/F with encoder (ولتاژ بر فرکانس با انکودر)
• Open loop vector control (وکتور کنترل حلقه باز)
• Close loop vector control (وکتور کنترل حلقه بسته)

وجه مشترک روش های کنترل

قبل از تعریف این روش‌های کنترل موتور و انکودر، این که چه چیزی هر یک را منحصر به ‌فرد می‌کند را بررسی خواهیم کرد، اما یک وجه مشترک بین هر چهار روش وجود دارد. آن وجه اشتراک مدولاسیون عرض پالس (PWM) است.  PWM تکنیکی است که عرض یک سیگنال ثابت را با کاهش مدت زمان پالس برای نمایش سیگنال آنالوگ متغیر تغییر می‌دهد. PWM با استفاده از ولتاژ DC ثابت از خازن های باسDC  درایو به درایو اعمال می‌شود. مجموعه ای از ترانزیستورهای دوقطبی گیت عایق (IGBT) روی خروجی به سرعت باز و بسته می شود تا پالس تولید کنند. با تغییر عرض پالس های خروجی در شکل موج ولتاژ خروجی، یک موج سینوسی AC به‌صورت شبیه‌سازی، به‌وجود می‌آید. (شکل زیر را ببینید).

حتی اگر شکل موج ولتاژ خروجی درایوها از امواج مربعی به دلیل پالس DC تشکیل شده است، شکل موج جریان سینوسی خواهد بود زیرا موتور القایی است. تمام روش های کنترل موتور از شکل موج ولتاژ PWM برای کنترل موتور استفاده می‌کنند. تفاوت بین روش های کنترل درایو در فرآیندی است که برای محاسبه ولتاژ مورد نیاز موتور در هر لحظه مورد استفاده قرار می‌گیرد.

روش کنترل V/f

متد کنترلی ولتاژ بر فرکانس، که معمولاً V/f نامیده می‌شود، اولین و ساده ترین روش کنترل موتور در نظر گرفته می‌شود. این روش ساده‌ترین روش ممکن در نظر گرفته می‌شود زیرا در این روش اطلاعات موتور بسیار کمی توسط درایو مورد نیاز است و همچنین نیاز به تنظیم خودکار (اتوتیون) ندارد (اما همچنان توصیه می‌شود). در این روش، ولتاژ و فرکانس با یک شیب ثابت به حداکثر مورد نیاز می‌رسند و برای کارهایی ساده که احتیاج به گشتاور بالایی ندارند استفاده می‌گردد.

مشخصات روش کنترل درایو V/f

این روش به انکودر هم نیاز ندارد. انکودر موتور یک دستگاه الکترومکانیکی ساده است که معمولاً در پشت محفظه موتور نصب می‌شود و به شفت موتور متصل است. چرخش شفت موتور یک سری پالس الکتریکی در هر دور  تولید می‌کند. این پالس ها به درایو برمی‌گردند و به عنوان فیدبک سرعت استفاده می‌شوند. روش کنترل V/f از انکودر استفاده نمی‌کند. این منجر به هزینه کمتر و سیم کشی کمتر می‌شود. روش کنترل V/f اغلب زمانی استفاده می‌شود که تقاضا برای کاربردهای فرکانس بالا وجود دارد که به راحتی می تواند از 1000 هرتز تجاوز کند. اکثر کاربردهای ماشین ابزار برای این مزیت از روش کنترل V/f استفاده می‌کنند.

مرایا و معایب روش کنترل V/f

مزیت دیگر این است که V/f تنها روش کنترل درایوی است که به موتورهای متعدد اجازه می‌دهد از یک درایو استفاده کنند و کنترل شوند. هنگام راه اندازی چندین موتور، همه موتورها به طور همزمان شروع و متوقف می‌شوند و همچنین از همان مرجع سرعت پیروی می‌کنند.

برخی از محدودیت‌های این روش بدین شکل است که درایو هیچ تضمینی برای چرخش محور موتور ندارد. علاوه‌براین، گشتاور راه اندازی موتور به 150٪ در فرکانس 3 هرتز محدود می‌شود. اگرچه این مشخصات گشتاور راه اندازی را می‌توان به عنوان یک نقطه ضعف طبقه بندی کرد، اما این گشتاور راه اندازی برای اکثر کاربردهای گشتاور متغیر کافی خواهد بود. در واقع، امروزه تقریباً هر فن و پمپ گشتاور متغیری که در این زمینه کاربرد دارد، روش کنترل V/f را اجرا می‌کند.

از آنجایی که V/f یک روش کنترل درایو نسبتاً ساده است، در برخی از مشخصات ضعیف‌تر است. تنظیم سرعت معمولاً +/- 2 تا 3 درصد حداکثر فرکانس است. سرعت پاسخگویی 3 هرتز است. پاسخ سرعت به این صورت تعریف می‌شود که درایو چقدر می‌تواند به تغییر مرجع فرکانس پاسخ دهد. هنگامی که مرجع فرکانس تغییر می‌کند، افزایش پاسخ سرعت منجر به پاسخ سریع تر موتور می‌شود.

محدوده کنترل سرعت روش V/f

هر روش کنترلی همچنین دارای یک محدوده کنترل سرعت است که به صورت یک نسبت بیان می‌شود. محدوده کنترل سرعت در روش 1: 40  V/f  است. اگر این نسبت را در حداکثر فرکانس ضرب کنیم، می‌توانیم حداقل سرعتی را که درایو می‌تواند کار کند و همچنان کنترل موتور را حفظ کند، تعیین کنیم. به عنوان مثال، با حداکثر فرکانس 50 هرتز و محدوده کنترل 1:40، یک درایو با استفاده از روش کنترل V/f می تواند یک موتور را تا 1.25 هرتز کنترل کند.

چیزی که روش کنترل درایو V/f را از سایر روش های کنترل متمایز می‌کند نحوه تعیین ولتاژ خروجی ارسال شده به موتور است. این روش کنترل از حالتی استفاده می‌کند ‌که الگوی V/f نامیده می‌شود. الگوی V/f نسبت ولتاژ به فرکانس را برای موتور تعریف می‌ کند. در یک مرجع سرعت معین، ولتاژ مربوطه به موتور اعمال خواهد شد. این نسبت اغلب با یک پارامتر تنظیمی سفارشی یا یک پیش تنظیم برای کاربرد و موتور مورد استفاده بهینه می‌شود.

کاربردهایی مانند فن ها و پمپ ها بارهای گشتاور متغیر هستند. برای جلوگیری از خطا و افزایش عملکرد و کارایی باید از الگوی V/f گشتاور متغیر استفاده شود. همین امر برای کاربردهای گشتاور ثابت مانند نوار نقاله ها، اکسترودرها، بالابرها و غیره نیز صدق می‌کند. یک الگوی گشتاور ثابت V/f باید برای کاربرد گشتاور ثابت انتخاب شود.

یک الگوی V/f برای بار گشتاور متغیر نیاز به کاهش جریان مغناطیسی در سرعت‌های پایین تر برای دستیابی به راندمان بالاتر دارد. برای رسیدن به این هدف، ولتاژ موتور به سادگی کاهش می‌یابد. برعکس، یک بار گشتاور ثابت نیاز به جریان مغناطیسی کامل در تمام سرعت ها دارد. یک شیب مستقیم ساخته شده و در کل محدوده سرعت برای بار گشتاور ثابت دنبال می‌شود.

V/F با انکودر

اگر تنظیم سرعت بهتر همراه با قابلیت اجرا در یک مرجع فرکانس بالاتر مورد نظر باشد، روش کنترل V/f را می‌توان برای اجرا با یک انکودر تنظیم کرد. اضافه شدن فیدبک انکودر به روش کنترل V/f، تنظیم سرعت را تا +/- 0.03 درصد حداکثر فرکانس کاهش می‌دهد.

ولتاژ خروجی را همچنان با الگوی V/f تعیین می‌کنند. این کار، امکان کنترل سرعت بالا را بدون پاسخ دینامیکی بالا فراهم می‌کند زیرا ولتاژ و فرکانس را از پیش تعیین کرده‌ایم. این روش کنترل خیلی رایج نیست زیرا باید یک انکودر و کارت فیدبک خریداری شود و مزایای حاصل از روش کنترل استاندارد V/f حداقل است. گشتاور راه اندازی، پاسخ سرعت و محدوده کنترل سرعت همگی مشابه روش کنترل V/f هستند.

همان طور که گفتیم روش کنترل درایو ولتاژ بر جریان جزو اولین و ساده‌ترین روش‌های کنترلی درایوها هستند. این روش کنترل درایو در تمامی درایوها وجود دارد و با استفاده از آن‌ها در کاربردها با گشتاور پایین می‌توان راه‌اندازی سریع و بهره‌وری مناسبی داشت. اما در این روش در فرکانس‌های پایین مقدار گشتاور نیز پایین است و در کاربردها با  گشتاور بالا باعث ایجاد مشکلاتی می‌شود.

در بخش دوم این مقاله در مورد روش کنترل وکتور صحبت خواهیم کرد که این دغدغه‌های موجود را رفع می‌کند.