تحكّم قوي دون مستشعر لمحركات PMSM عالية السرعة عند نسب حاملة منخفضة وعدم يقين في المعلمات

لماذا تحتاج المحركات الكهربائية الأسرع إلى تحكّم أذكى

مع سعي السيارات الكهربائية والقطارات والآلات الصناعية نحو قدرة أعلى وكفاءة أفضل، تدور محركاتها بسرعة أكبر من أي وقت مضى. تشغيل هذه المحركات عالية السرعة بكفاءة يعني تقليل معدل تبديل إلكترونيات القدرة لتقليل الخسائر والحرارة. لكن هذا يخلق مشكلة معقّدة: يفقد العقل الإلكتروني الذي يتحكّم بالمحرّك قدرته على معرفة ما يفعله الدوار، خصوصاً عند الاعتماد على تقدير الموضع دون مستشعر فعلي. تعرض هذه الورقة طريقة جديدة للحفاظ على استقرار وكفاءة وموثوقية هذه المحركات حتى تحت هذه ظروف التشغيل القاسية.

التحدي في إنجاز المزيد بمعدل تبديل أقل

تُعدّ المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSM) الحديثة عملَة الدفع للمركبات الكهربائية ومحركات الصناعة المتقدمة لأنها مدمجة وفعّالة. لضخ مزيد من الأداء فيها، يرفع المهندسون التردد الكهربائي للمحرك (عن طريق زيادة السرعة) مع خفض تردد تبديل العاكس (لتقليل الخسائر). عندها تصبح النسبة بين هذين الترددين، المعروفة بنسبة الحاملة إلى الأساس (C/F)، صغيرة جداً، أحياناً حتى ستّ. في هذا النطاق، يصبح الزمن بين تحديثات التحكّم طويلاً مقارنةً بالفترة الكهربائية للمحرك، لذا تتضخّم الأخطاء العددية والتأخيرات في المتحكّم الرقمي بشدّة. تصبح مخططات التحكم "دون مستشعر" التقليدية، التي تستدل على زاوية الدوار من التيارات والجهود المقاسة بدلاً من مستشعر مادي، غير مستقرة أو غير دقيقة، مما يؤدي إلى تيارات ضوضائية، تموّج عزم الدوران، وحتى إيقاف النظام.

رصد المحرك من دون مستشعر

للتخلّص من مستشعرات الموضع وتكلفتها، تعتمد معظم المحركات عالية السرعة على مراقبات رياضية تعيد بناء زاوية الدوار من القياسات الكهربائية. تستخدم المراقبات التقليدية غالباً حلقة تصحيح بسيطة (مبنية على تحكّم تناسبي–تكاملي PI) لتعديل التدفق المغناطيسي المقدر داخل المحرك. تعمل هذه المخططات بشكل معقول عند السرعات المتوسطة ونسب C/F المريحة لكنها تواجه صعوبات عندما تنحرف معلمات مثل المقاومة والاستقراء مع الحرارة، أو عندما لا يتماشى التقطيع العددي المستخدم في المتحكّم مع الفيزياء السريعة الأساسية. عند نسب C/F المنخفضة جداً، يمكن للطرق العددية منخفضة الترتيب مثل أويلر أو توستين أن تدفع أقطاب النظام في الزمن المتقطع خارج المنطقة الآمنة، ما يدفع المراقب إلى التذبذب أو التباعد.

مخطط تحكّم يلغِ الاضطرابات أثناء التشغيل

يتعامل المؤلفون مع هذا بإعادة تصميم المراقب حول مفهوم إلغاء الاضطراب النشط (ADRC). بدلاً من معالجة أخطاء المعلمات وتغيرات الحمل والتأثيرات غير الممثلة كل على حدة، يجمع ADRC هذه العوامل في "اضطراب كلي" واحد ويقدّره في الزمن الحقيقي بواسطة مراقب حالة موسّع. ثم يُلغى تقدير هذا الاضطراب بنشاط داخل إشارة التحكّم، مما يسمح للنظام بأن يتصرف كديناميكية أبسط ومعروفة جيداً. في مراقب تدفق الدوار المعوّض التكيفي المقترح، يُستخدم ADRC لضبط جهد تصحيح داخلي باستمرار بحيث يتبع مقدار التدفق المغناطيسي المقدر المرجع المرغوب. ومن هذا التدفق المصحح تُستخرج زاوية وسرعة الدوار، موفرةً معلومات الموضع الأساسية للتحكّم الموجه للمجال للمحرّك دون أي مستشعر ميكانيكي.

طرق عددية هجينة للأجهزة الزمن الحقيقي

لكن قوة ADRC تأتي بتكلفة: معادلاته أكثر تعقيداً وعادة ما تتطلب طريقة تكامل عددية عالية الرتبة، مثل رونج–كوتا من الرتبة الرابعة (RK4)، للحفاظ على الاستقرار عند نسب C/F المنخفضة. RK4 دقيقة لكنها مكلفة حسابياً لأجهزة الميكروكنترولر المصنفة للسيارات التي يجب أن تشغّل العديد من مهام التحكم خلال ميكروثوانٍ. لحلّ هذه المشكلة، يقدم المؤلفون مخطط تمييز هجين يقسم المراقب إلى جزء خطي يتغير ببطء وجزء تغذية مرتدة غير خطي سريع. يُحدَّث المكوّن الخطي بخطوة أويلر خفيفة بينما يستخدم المكوّن غير الخطي RK4. يحافظ هذا النهج الهجين على دقة مستوى RK4 حيث تهم الدقة، مع تقليل عدد الضربات بنحو 30% مقارنةً بـ RK4 كامل في مراقب ADRC، ما يخفض زمن التنفيذ إلى نحو 18.5 ميكروثانية لكل دورة تحكّم على مُعالج إشارة رقمي بسرعة 200 ميغاهرتز.

اختبار الطريقة على محرك صناعي

تمّت مصادقة المخطط المقترح على محرك PMSM قوي بقوة 100 كيلووات يدور حتى 20,000 لفة في الدقيقة، ممثلاً لعتاد الدفع الكهربائي الفعلي. تُظهر تحليلات الأقطاب المفصّلة والتجارب أن المراقبات المبنية على تمييز أويلر وتوستين تصبح غير مستقرة مع ارتفاع السرعة أو انخفاض C/F، بينما تظل تلك التي تستخدم RK4 أو الطريقة الهجينة الجديدة داخل منطقة الاستقرار بشكل مريح. عملياً، يمكّن المراقب الهجين ADRC التشغيل دون مستشعر عند نسبة C/F منخفضة تصل إلى ستّ، مع أشكال موجية للتيار وتموّج عزم تقارب ما يحققه نظام يستخدم مستشعر موضع فعلي. تكشف اختبارات خطوات الحمل عن أزمنة استقرار أسرع، تجاوز أقل، وفصل أفضل لمكوّنات التيار مقارنةً بالمراقبات التقليدية. حتى عند تعمد تغيير معلمات المحرك الأساسية—مضاعفة المقاومة المفترضة أو تقليل الاستقراء إلى النصف—يبقى النظام مستقرّاً، مع زيادات متواضعة فقط في تموّج التيار وتموّج السرعة على نطاق أجزاء من عشرة آلاف.

ما الذي يعنيه هذا لمحركات الدفع المستقبليّة

بمصطلحات مبسطة، يوضح هذا العمل كيف يمكن لـ "مستشعر افتراضي" أذكى ومحرك عددي مصمم بعناية أن يحافظا على تحكم محركات كهربائية سريعة جداً، حتى عندما تعمل إلكترونيات القدرة بمعدلات تبديل بطيئة وتختلف ظروف العالم الحقيقي عن النموذج النظري. من خلال دمج مراقب ADRC الذي يلغي الاضطرابات مع تمييز هجين يتناسب مع قيود المعالج الصارمة، يبرهن المؤلفون على تحكّم دون مستشعر يكاد يكون نظيفاً وقوياً مثل التحكم المعتمد على مستشعر، وفي الوقت نفسه أبسط وأرخص في البناء. هذا يفتح الباب أمام أنظمة دفع أكثر كفاءةً ودمجاً وموثوقية للمركبات الكهربائية وتطبيقات الأداء العالي الأخرى حيث كل واط وكل غرام لهما أهمية.

الاستشهاد: Lin, Z., Jin, S., Wang, H. et al. Robust sensorless control of high speed PMSM drives under low carrier ratios and parameter uncertainties. Sci Rep 16, 11269 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41212-z

الكلمات المفتاحية: التحكم في المحركات دون مستشعر, PMSM عالية السرعة, تردد تبديل منخفض, إلغاء الاضطراب النشط, التمييز الهجين