تعزيز أداء المحوّل بتكنولوجيا PWM ذات التردد العالي

مع استمرار زيادة الطلب على التحكم الدقيق في العمليات الصناعية، تواجه تقنية التحويل النبضي التقليدية (PWM) صعوبات في تلبية متطلبات الأداء الديناميكي العالي والتشوه التوافقي المنخفض. من ناحية أخرى، تحسّن تقنية PWM عالية التردد جودة الموجة الخرج وتقليل التوافقيات النظامية عن طريق زيادة تردد الناقل، مما يعزز أداء المعكوفات. بالتالي، أصبح توازن كفاءة النظام والموثوقية عند تطبيق تقنية PWM عالية التردد جانبًا حاسمًا في تطور تقنية المعكوفات.

1. النظرية الأساسية والخصائص الفنية لـ PWM عالية التردد

تقنية PWM هي التقنية الأساسية المستخدمة في أنظمة التحكم الكهربائية للمعكوفات لتوجيه الجهد والتواتر. تقوم بإنتاج سلاسل نبضية بمقارنة الإشارات المرجعية بالإشارات الناقلة وتستخدم هذه السلاسل النبضية للتحكم في حالات التحويل للأجهزة القوية، وبالتالي تحقيق التحكم الدقيق في التغذية الكهربائية للحمل. في التحكم بالمعكوفات، يمكن التعبير عن نسبة العمل D لـ PWM فيما يتعلق بسعة الموجة المرجعية Vref وسعة الموجة الناقلة Vtri كما يلي:

يُعرف معدل التأثير m بأنه نسبة سعة الموجة المرجعية إلى سعة الموجة الناقلة. يؤثر بشكل مباشر على القيمة الفعالة والخصائص التوافقية للجهد الخرج. يتم التعبير عن هذا النسبة كما يلي:

يعني تردد الناقل fc تردد الموجة المثلثية المستخدمة لإنتاج إشارة PWM. يؤثر قيمته مباشرة على سرعة الاستجابة الديناميكية لنظام التوزيع التوافقي للخرج. يتم تعريف نسبة التردد N كنسبة تردد الناقل إلى تردد الموجة المرجعية، ويتم التعبير عنها كالتالي:

حيث f1 هو تردد الموجة المرجعية. عادة ما يشير مصطلح تقنية PWM عالية التردد إلى تقنيات التحكم بـ PWM التي يكون فيها تردد الناقل أعلى من 10 كيلو هرتز. مع التحسينات المستمرة في أداء الأجهزة القوية، أصبحت ترددات الناقل في المعكوفات الحديثة تصل إلى 20 كيلو هرتز أو أعلى. بزيادة تردد الناقل، يتم تحويل مكونات التوافقيات الخرج إلى نطاقات تردد أعلى، مما يسهل التصفية اللاحقة ويقلل بشكل فعال من الضوضاء والاهتزازات في المحركات.

تبين التجارب أنه بزيادة تردد الناقل من 5 كيلو هرتز إلى 20 كيلو هرتز، يمكن تقليل ضوضاء المحرك بمقدار 12-15 ديسيبل وتخفيض الارتفاع الحراري بمقدار 5-8 درجة مئوية. مع زيادة تردد الناقل، تقترب موجة الخرج PWM أكثر فأكثر من الموجة الجيبية المثالية، ويقل التشوه التوافقي الكلي (THD) بشكل كبير. عند تردد ناقل 20 كيلو هرتز، ينخفض THD للجهد الخرج من المعكوف إلى حوالي 5٪، وهو أفضل بكثير من 8-12٪ التي تكون نموذجية للتكنولوجيا PWM ذات التردد المنخفض. بالإضافة إلى ذلك، توفر تقنية PWM عالية التردد مزايا مثل الاستجابة الديناميكية السريعة ودقة التحكم العالية.

2. التحديات الرئيسية في تنفيذ PWM عالية التردد وحلولها

2.1 الخسائر العالية أثناء التحويل وطرق التخفيف منها

المشكلة الأكثر بروزًا في تقنية PWM عالية التردد هي زيادة كبيرة في الخسائر أثناء التحويل. بما أن الخسائر أثناء التحويل للأجهزة القوية تتناسب مع تردد التحويل، يؤدي التشغيل بتردد عالٍ إلى انخفاض كفاءة النظام وزيادة متطلبات إدارة الحرارة. يمكن نمذجة خسارة التحويل Psw لمودول واحد من الترانزستورات ثنائية القطب ذات العزل بوابتي (IGBT) كما يلي:

حيث Eon و Eoff هما خسارة الطاقة أثناء التشغيل والإيقاف على التوالي؛ Err هي طاقة الانتعاش العكسي؛ Vdc هو الجهد الحقيقي للخط المباشر؛ Vref هو الجهد المرجعي؛ Ic هو التيار الفعلي؛ وIref هو التيار المرجعي.

للتقليل من الخسائر أثناء التحويل، يمكن اتخاذ التدابير التالية: أولاً، استخدام أجهزة قوية متقدمة مثل ترانزستورات المجال ذو الأكسيد المعدني (MOSFET) من الكربون السيليكون (SiC)، والتي تتميز بخصائص تحويل أفضل من IGBT التقليدية؛ ثانياً، تحسين تصميم دائرة تشغيل البوابة باستخدام تقنيات التشغيل ثنائي الميل لتغيير مقاومة البوابة بشكل ديناميكي أثناء التحويلات، مما يحقق التوازن بين سرعة التحويل والتشويش الكهرومغناطيسي (EMI)؛ وأخيراً، تنفيذ تقنيات التحويل اللينة، مثل توبولوجيات التحويل بدون جهد (ZVS) أو التحويل بدون تيار (ZCS)، لتقليل الخسائر أثناء التحويل بشكل كبير.

2.2 تأثير وقت الموت وإجراءات التعويض عنه

تحت تشغيل PWM عالي التردد، رغم أن وقت الموت المطلق يظل ثابتًا، فإن نسبة وقت الموت بالنسبة للفترة الزمنية للتحويل تزداد، مما يجعل تأثير وقت الموت أكثر وضوحًا. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تشوه جهد الخرج وتدهور الأداء عند السرعات المنخفضة وزيادة التذبذب العزمي. لمواجهة هذه المشاكل بشكل فعال، يتم استخدام خوارزميات التعويض عن وقت الموت، ويتم التعبير عنها كالتالي:

3 نظام التنفيذ القائم على FPGA لتقنية PWM عالية التردد

3.1 تصميم الهندسة النظامية

يحمل التحكم بـ PWM عالية التردد متطلبات أعلى لأداء الوقت الحقيقي ودقة التحكم في منصات الحوسبة. غالبًا ما تواجه المعالجات الرقمية الإشارات (DSPs) التقليدية قيودًا مثل قوة حوسبة غير كافية ومدة انقطاع طويلة عند تنفيذ PWM عالية التردد. من ناحية أخرى، تعتبر مصفوفات البوابات القابلة للبرمجة بالميدان (FPGAs) أكثر ملاءمة لهذه التطبيقات بسبب قدراتها على المعالجة المتوازية ومرونة التنفيذ على مستوى الأجهزة.

يتكون بنية نظام التحكم بـ PWM عالية التردد القائم على FPGA من أربع وحدات أساسية: الوحدة الرئيسية للتحكم، وحدة إنتاج PWM، وحدة معالجة الإشارات العكسية، ووحدة الحماية. وبالتحديد:

• وحدة التحكم الرئيسية: تنفذ خوارزميات التحكم ذات الحلقة المغلقة مثل حلقات السرعة والتيار والموقع؛

• وحدة إنتاج PWM: مسؤولة عن إنتاج موجات PWM عالية الدقة وإدارة التحكم في وقت الموت؛

• وحدة معالجة الإشارات العكسية: تتعامل مع الحصول ومعالجة الإشارات الأولية مثل التيار والجهد والموقع؛

• وحدة الحماية: تقوم بلكشف والاستجابة للأعطال مثل زيادة التيار والجهد والحرارة لضمان سلامة النظام.

يتم تبني تصميم الوحدات في النظام، حيث تتصل الوحدات الوظيفية عبر واجهات قياسية. داخل FPGA، يتم استخدام هندسة مجال الساعة المزدوجة: تعمل خوارزميات التحكم في مجال ساعة منخفض التردد لتقليل استهلاك الموارد، بينما تعمل وحدة إنتاج PWM في مجال ساعة عالي التردد لضمان توقيت دقيق ودقة عالية.

3.2 تحسين وتنفيذ خوارزمية التحكم بـ PWM

لتحقيق التحكم بـ PWM عالية الأداء، يتم تحسين خوارزمية التحويل النبضي للمتجه الفضائي (SVPWM) التقليدية عن طريق تقديم خوارزمية تحكم PWM محسنة، يتم التعبير عنها كالتالي:

حيث Ta هو وقت التوصيل للطرف العلوي للفاز A؛ vα وvβ هما مكونات الجهد المرجعي في نظام الإحداثيات α-β. يتم تنفيذ هذه الخوارزمية في FPGA باستخدام هيكل خط الأنابيب، مما يحول الحسابات المثلثية المعقدة إلى عمليات خطية بسيطة. هذا يقلل بشكل كبير من زمن الحساب ويسمح بالتنفيذ في دورة واحدة. لتحسين التحكم في وقت الموت، يتم تبني استراتيجية تعويض وقت الموت التكيفي.

3.3 اختبار وتحليل أداء النظام

لتقييم التفوق المقترح لخطة تنفيذ PWM عالية التردد (والتي سيتم الإشارة إليها فيما بعد باسم "الخطة المقترحة")، يتم مقارنتها بخطة تنفيذ تقليدية قائمة على DSP (والتي سيتم الإشارة إليها فيما بعد باسم "الخطة التقليدية"). يتم بناء منصة الاختبار على FPGA Xilinx Artix-7 وDSP TMS320F28379D، باستخدام توبولوجيات دوائر المستوى القوى والوحدات القوية (1200 فولت/50 أمبير SiC MOSFET) متطابقة. تشمل مؤشرات الأداء التشويه التوافقي الكلي (THD) للجهد الخرج، وقت الاستجابة الديناميكي، عامل القوة، وكفاءة النظام. يتم تكرار كل اختبار ثلاث مرات، مع حساب المتوسط للنتائج لضمان الموثوقية.

كما هو موضح في الجدول 1، تظهر الخطة المقترحة مزايا كبيرة على الخطة التقليدية في معظم المؤشرات: ينخفض THD للجهد الخرج من 8.63٪ إلى 5.33٪، وهو تحسن بنسبة 38.2٪؛ ينخفض وقت الاستجابة الديناميكي من 428 ميكروثانية إلى 245 ميكروثانية، وهو انخفاض بنسبة 42.5٪؛ ويزداد عامل القوة من 0.91 إلى 0.98. على الرغم من أن كفاءة النظام تتحسن بنسبة 0.1٪ فقط، إلا أن هذا الربح الهامشي لا يزال مهمًا بالنظر إلى كفاءة الأساس العالية التي تتجاوز 92٪.

يتم اختبار جدوى الخطة المقترحة تحت ظروف الحمل المختلفة، مع نتائج مقدمة في الجدول 2. تغطي الاختبارات الأحمال المقاومة والحثية والمحركات. تظهر النتائج أن الخطة المقترحة تحتفظ بأداء مستقر عبر جميع أنواع الأحمال: تبلغ تغيرات THD للجهد الخرج فقط 0.47٪، مما يدل على قوة الخوارزمية؛ يتم الحفاظ على الخسائر أثناء التحويل بين 125 واط و138 واط، مع تقلب بنسبة 10.4٪ فقط، مما يشير إلى إدارة فعالة للطاقة؛ ويبقى ارتفاع الحرارة ضمن حدود 41-45 درجة مئوية، مما يؤكد الاستقرار الحراري الممتاز.

4 الخلاصة

تعتبر تقنية PWM عالية التردد عاملاً رئيسيًا في تعزيز أداء المعكوفات، ولكن تنفيذها في أنظمة التحكم الكهربائية يواجه العديد من التحديات التقنية. تتناول هذه الورقة القضايا الحرجة مثل الخسائر العالية أثناء التحويل وتأثير وقت الموت وتصميم دوائر التشغيل، باقتراح حلول منهجية وتقديم إطار تنفيذي قائم على FPGA.

تقدم الخطة المقترحة دقة عالية وتأخير قليل وأداء حقيقي قوي، مما يحسن بشكل فعال الاستجابة الدينامية والدقة الثابتة. توفر البحث دعمًا تقنيًا قويًا للتحكم في المعكوفات عالية الأداء ولديها إمكانات تطبيق واسعة في مجالات مثل الأتمتة الصناعية وإنتاج الطاقة المتجددة والمركبات الكهربائية.