کنترل گشتاور مستقیم درایو های کنترل دور ( AC , DC ) موجب عملکرد بی سابقه ای در موتور های الکتریکی شده و با تطبیق سرعت موتور و گشتاور مورد نیاز بار ، کاهش چشمگیر مصرف انرژی را به ارمغان آوردند. بیشتر درایوهای موجود در بازار در مرحله مدولاسیون پهنای پالس ( PWM ) وامانده و تنها با تثبیت نسبت ولتاژ به فرکانس اعمالی به موتور (V/f) به کار خود ادامه می دهند ، در نتیجه تاخیر زمانی ذاتی در پردازش سیگنال های کنترلی همچنان پابرجا می ماند. در این میان شرکت ABB برای اولین بار روش نوآورانه کنترل گشتاور مستقیم (Direct Torque Control – DTC) را بکار گرفت که ناباورانه سرعت پاسخ گشتاور موتور را افزایش می داد. تکنولوژی DTC برتری های دیگری را نیز حتی در سطح کارایی سیستم کنترل و پردازشگر فراهم آورد.

در حال حاضر تنها درایوهای AC با سطح کارایی بالا مانند ABB ACS 880 این فناوری نوآورانه موسوم به کنترل گشتاور مستقیم یا DTC را ارائه می دهند. نام این تکنولوژی اشاره به آن دارد که بجای کنترل جریان موتور نظیر درایوهای کنترل برداری و درایوهای DC ، شار مغناطیسی موتور و گشتاور مستقیما کنترل می شوند که نتیجه آن دقت بهتر در انطباق پارامترهای موتور با نیازهای بار سیستم خواهد بود. همچنین DTC برخلاف مدولاسیون PWM از یک فرکانس سوییچینگ ثابت استفاده نمی کند، بنابراین میزان دستیابی به بهترین و پایدارترین کنترل در سرعت های گذرا تا حدود برآورد شده در تئوری بالا می رود.

کنترل مستقیم گشتاور از 1995 که ABB اولین درایو خود را بر این اساس معرفی کرد همچنان یک تکنولوژی پیشرو به شمار می آید. شرکت های بزرگ سازنده درایو ، در پی بهینه سازی هایی که در سطوح گوناگون طراحی های خود اعم از توان محاسباتی پردازنده ، برنامه نویسی اپلیکیشن های کنترلی و واسط های انتقال اطلاعات انجام می دهند، پیوسته برای بالا بردن سطح عملکرد DTC بمنظور کنترل هرچه بهتر موتور در گستره وسیعی از کاربردها تلاش می کنند.

حتما بخوانید: بینایی ماشین و پردازش تصویر

چرا از DTC استفاده کنیم ؟

در کنار پاسخ گشتاور بسیار خوب ، DTC برتری های دیگری نیز برای صنعتگران بهمراه دارد :

• تقریبا در 95% کاربردهای DTC نیازی به پسخور ( feedback ) سرعت و یا موقعیت نیست. بنابراین می توان از نصب انکودرها ، تاکومترها و یا دیگر تجهیزات فیدبک پرهیز کرد.
• کنترل DTC برای انواع موتورهای القایی، مغناطیس دائم و موتورهای سنکرون رلوکتانسی قابل استفاده است.
• دقت کنترل سرعت و گشتاور حتی در سرعت های کم و همچنین ایجاد گشتاور بیشینه حتی در سرعت نزدیک صفر.
• ارائه گشتاور کاملا خطی.
• دقت بالای سرعت در دورهای ثابت و گذرا.
• در کنترل DTC فرکانس سوییچینگ ( فرکانس حامل – Carrier Frequency ) از پیش تعیین نمی شود. سوییچینگ ترانزیستورها بر اساس نیازهای مدل موتور در هر سیکل کنترلی تعیین می شود. همین امر سبب انطباق آسان درایو با نیازهای لحظه ای بار است.

حتما بخوانید: برنامه نویسی plc

کنترل DTC فراتر از موتورهای القایی

کنترل DTC در اصل بخاطر عمومیت موتورهای القایی AC در کاربردهای صنعتی و تجاری ، برای این نوع موتورها توسعه داده شد. نزدیکی زمان پاسخ پله DTC به ثابت زمانی الکتریکی موتور ، نشان دهنده عملکرد والای DTC در موتورهای القایی است. عدم تکرارپذیری گشتاور نیز تحت رفرنس های یکسان در کل گستره سرعت موتور ، کمتر از 1% گشتاور نامی است.

درخواست برای انرژی بیشتر و مقررات جهانی برای مصرف بهینه، سبب گرایش صنایع به موتورهایی با توپولوژی متفاوت شده است. در این میان متد DTC برای کار با موتورهای سنکرون مغناطیس دائم (PM) و سنکرون رلوکتانسی نیز گسترش یافته است. تفاوت اصلی هنگام راه اندازی رخ می دهد که درایوهای DTC با چنین موضوعی کاملا منطبق هستند. نبود سیم پیچی روتور و لغزش (slip) در موتورهای مغناطیس دائم و رلوکتانسی، بهره آنها را در پهنه گسترده ای از مختصات گشتاور – سرعت نسبت به موتورهای القایی افزایش داده است.

بالا بودن گشتاور این موتورها نسبت به ابعادشان طراحی مکانیزم های مرتبط را نیز آسان تر می کند. برای نمونه انتخاب یک موتور مغناطیس دائم دور پایین می تواند سبب حذف یک گیربکس از طراحی شود. یکی از مشکلات موتورهای مغناطیس دائم برای ارائه بهترین عملکرد، استفاده از آهنرباهای تقریبا کمیاب است. موضوعی که بواسطه آن موتورهای رلوکتانسی به دلیل عدم استفاده از آهنربا، می توانند به عنوان جایگزین آنها مطرح شوند.

حتما بخوانید: کنترل اتوماسیون

تایید عملکرد DTC

در میانه های سال 2012 شرکت ABB در راستای اطمینان از روند پیشرفت فناوری DTC بمنظور بالا نگهداشتن کارایی درایوهای خود آزمایش هایی انجام داد که برخی نتایج آن اینگونه بود :

پایداری گشتاور در سرعت های نزدیک صفر

کنترل گشتاور دو مدل از درایوهای صنعتی ACS 800 و ACS 880 در مد کاری حلقه باز (SensorLess – Open loop) باهم مقایسه شدند. هر درایو کنترل یک موتور 15 کیلووات را در گشتاور نامی بر عهده داشت در حالی که یک بار کنترل شده با سرعتی نزدیک به صفر و در جهت عکس به هر دو موتور اعمال می شد.

هر دو درایو در حالت حلقه باز توانایی کنترل درخور توجهی را در سرعت های نزدیک صفر از خود نشان می دهند اما مدل جدیدتر ACS 880 نوسان کمتری نسبت به خط رفرنس گشتاور داشته در نتیجه عملکرد بهتری در کنترل موتور دارد.

دقت کنترل گشتاور هنگام افزایش یا کاهش رفرنس گشتاور

دقت کنترل گشتاور درایو ACS 880 بر روی موتور القایی چهار قطب و موتور سنکرون رلوکتانسی (هر دو با توان 15Kw و در 1/2 سرعت نامی) مقایسه شد. اختلاف گشتاور خروجی با گشتاور مرجع برای هر دو موتور توسط DTC در حدود درصد کمی از گشتاور نامی نگهداشته شده است.

ماکزیمم اختلاف گشتاور در موتور رلوکتانسی اندکی کمتر از موتور القایی است.

عملکرد DTC در حد یک سروو درایو

دور یک موتور مغناطیس دائم با گشتاور نامی 1.5 Nm و دور 6000 rpm، از 6000- تا 6000 rpm در کمتر از 25 میلی ثانیه تغییر داده شده و سرعت و موقعیت زاویه ای موتور اندازه گیری شد. چیزی نزدیک به ثابت زمانی مکانیکی موتور و زمان محاسبه شده بصورت تئوری که 24 میلی ثانیه است!

اگرچه ACS 880 سروو درایو نیست اما DTC با سرعت و دقت خاصی شتاب موتور را در مد حلقه بسته و حلقه باز کنترل کرد. مقایسه زمان شتاب صعودی با ثابت زمانی مکانیکی موتور، معیاری برای دقت گشتاور در شتاب های بسیار بالا است.

حتما بخوانید: اتوماسیون صنعتی

آینده DTC

بروز رسانی های پیوسته متد DTC را در کاربردهای با پویایی بالا ، به سطحی فراتر از انتظار رسانده است. بهبود نرم افزاری و فراگیری میکروپروسسورهای قدرتمند، درایوهای DTC را از دید اقتصادی برای بسیاری از کاربردها موجه ساخته است. چالاکی در پاسخ به متغیرهای یک فرآیند، مانند فشار، تنش و یا موقعیت، DTC را برای بیشتر صنایع دوست داشتنی کرده است.

افزون بر این، درایوهای AC در کاربردهای نیازمند تغییر دور پیوسته مانند فن و پمپ، توانایی چشمگیری در بهبود مصرف انرژی دارند. از آنجا که توان مصرفی پمپ با مکعب سرعت پمپ نسبت مستقیم دارد اگر طی فرایند نیاز به نیمی از سرعت نامی باشد، توان مصرفی تنها 1/8 توان نامی خواهد بود.

کنترل گشتاور مستقیم در درازای این سالها زنجیره ای از پیشرفت های سخت افزاری و نرم افزاری را به خود دیده است. برپایه مبانی نظری محکم و تکنولوژی پردازش سیگنال دیجیتال (Digital Signal Processing – DSP)، متد DTC توانسته بر محدودیت های پردازنده های پیشین چیره شود. هم اکنون اما، پردازنده های قدرتمند فعلی همزمان الگوریتم های پیچیده کنترلی را اجرا کرده، پارامترهای مدل موتور را بهنگام کرده و ترانزیستورهای درایو را برای دستیابی به بهترین عملکرد سوییچ می کنند.

امروزه DTC همچنان یک فناوری پویا بوده و با ترکیب رابط های کاربری هوشمند، ویژگی های تشخیص و عیب یابی بهینه و نرم افزار توسعه یافته، در حال تبدبل شدن به برندی فراتر از کنترل گشتاور است.

مراجع

گروه مهندسی دی کنترل با نزدیک به دو دهه تجربه در زمینه کنترل و اتوماسیون صنعتی، آماده :

• طراحی و اجرای بهترین مکانیزم های کنترل گشتاور بصورت حلقه باز (Open Loop)
• حلقه بسته (با فیدبک هایی مانند دنسر، لودسل، پراکسیمیتی سنسور و …) (Close Loop)
• و تامین، راه اندازی و کنترل بهترین اینورترهای مبتنی بر DTC و SVM نظیر MicroMaster 440 زیمنس، Emotron VFX و ABB ACS800 و انواع سروو درایوهای AC است.