سنسورها و کنترل موتورهای کششی (Traction Motor) - مقاله جامع فنی خودرو

موتورهای کششی یا Traction Motors از اجزای حیاتی در سیستم‌های محرکه خودروها، قطارها، خودروهای برقی و انواع ماشین‌آلات صنعتی محسوب می‌شوند. عملکرد صحیح این موتورها به واسطه کنترل دقیق و پایش شرایط کاری آن‌ها میسر می‌شود و در این میان، سنسورها نقش بسیار مهم و تعیین‌کننده‌ای ایفا می‌کنند. در این مقاله به طور کامل با انواع سنسورها، نقش آن‌ها و متدهای کنترل موتورهای کششی آشنا می‌شویم.

۱. مفهوم و اهمیت موتورهای کششی (Traction Motors)

موتور کششی به موتور الکتریکی گفته می‌شود که به طور مستقیم یا از طریق گیربکس، نیروی حرکتی لازم را برای حرکت دادن یک وسیله نقلیه یا ماشین فراهم می‌کند. این موتورها در وسایل نقلیه برقی، الکتریکی-هیبریدی و همچنین در سیستم‌های حمل‌ونقل ریلی (مانند لوکوموتیوهای برقی) کاربرد فراوان دارند.

مهم‌ترین ویژگی موتورهای کششی توانایی تولید گشتاور بالا در دور پایین و پاسخ سریع به تغییر بار است. این ویژگی‌ها موجب می‌شود که کنترل و پایش دقیق عملکرد موتور نیازمند ابزار و تجهیزات سنجشی پیشرفته باشد.

۲. انواع سنسورهای به‌کار رفته در موتورهای کششی

برای کنترل و مدیریت بهینه موتورهای کششی، استفاده از سنسورهای متنوع ضروری است. در این بخش با مهم‌ترین انواع سنسورها و کاربرد آنها آشنا می‌شویم.

۲.۱. سنسورهای اندازه‌گیری جریان (Current Sensors)

جریان عبوری از موتور رابطه مستقیم با گشتاور تولیدی دارد و کنترل آن برای جلوگیری از بار اضافی یا جلوگیری از آسیب به موتور ضروری است.

• شنت (Shunt Resistor): یک مقاومت کوچک با دقت بالا است که در مسیر جریان قرار می‌گیرد و افت ولتاژ ایجاد شده متناسب با جریان عبوری است.
• سنسور اثر هال (Hall Effect Sensor): این سنسورها غیرتخریبی جریان را از طریق اندازه‌گیری میدان مغناطیسی اطراف هادی جریان اندازه‌گیری می‌کنند که باعث کاهش تلفات و افزایش ایمنی سیستم می‌شود.

به عنوان مثال، در موتورهای براشلس جریان هر فاز با استفاده از سنسورهای هال اندازه‌گیری شده و به کنترل‌کننده موتور ارسال می‌شود تا الگوریتم‌های کنترلی مانند فیلد اورینتد کنترل (FOC) و وکتور کنترل به درستی اجرایی شوند.

۲.۲. سنسورهای موقعیت روتور (Rotor Position Sensors)

دقت بالای کنترل موتورهای کششی وابسته به دریافت دقیق اطلاعات موقعیت روتور است. این سنسورها تعیین‌کننده زاویه و سرعت چرخش روتور هستند.

• انکودر (Encoder): انکودرهای اپتیکال یا مغناطیسی وجود دارند که سیگنال‌های پالس نسبی یا مطلق تولید می‌کنند.
• سنسور اثر هال: در موتورهای براشلس، سه سنسور اثر هال در بخش استاتور جهت تشخیص موقعیت روتور به کار می‌رود.
• بازخورد بدون سنسور (Sensorless): روش‌هایی مبتنی بر مدل ریاضی و اندازه‌گیری جریان و ولتاژ برای تخمین موقعیت روتور در مواردی که سنسور مکانیکی نصب نمی‌شود، استفاده می‌شود.

به طور مثال، در یک موتور القایی، انکودر چرخشی با دقت بالا (معمولاً تا ۱۰۰۰ پالس بر دور) در شفت موتور نصب می‌شود تا داده‌های موقعیت به کنترل‌کننده ارسال ‌شود و بر اساس آن موقعیت فازهای الکتریکی تحریک شود.

۲.۳. سنسورهای دما (Temperature Sensors)

گرمای بیش از حد در موتورهای کششی می‌تواند باعث خرابی عایق بندی سیم‌ها و حتی سوختن موتور شود. بنابراین سنجش دمای موتور جزو مهم‌ترین فاکتورها محسوب می‌شود.

• ترمیستور (NTC/PTC): مقاومت قابل تغییر متناسب با دمای محیط یا داخل موتور.
• سنسورهای دمای مادون قرمز: اندازه‌گیری دمای بدون تماس، معمولاً در بازه‌های زمانی مشخص.
• ترموکوپل: تولید ولتاژ متناسب با اختلاف دما بین دو نقطه.

در موتورهای کششی قطارهای برقی، بیش از یک نقطه اندازه‌گیری دما (نظیر سیم‌پیچ استاتور و بلبرینگ‌ها) به کار می‌رود تا از افزایش دما پیشگیری شود. به عنوان مثال، دمای سیم‌پیچ موتور با NTC سنجیده می‌شود و اگر به حد خاصی برسد، سیستم کنترل در جهت کاهش بار یا خاموشی اضطراری اقدام می‌کند.

۲.۴. سنسورهای ولتاژ (Voltage Sensors)

اندازه‌گیری ولتاژ ورودی به موتور و همچنین ولتاژ باتری در سیستم‌های برقی جهت بررسی شرایط کاری موتور و شارژ باتری الزامی است.

• تقسیم‌کننده ولتاژ (Voltage Divider): برای کاهش سطح ولتاژ به سطوح قابل قبول برای میکروکنترلر‌ها یا PLCها استفاده می‌شود.
• سنسورهای آنالوگ به دیجیتال با دقت بالا: جهت تبدیل سیگنال‌های ولتاژ به داده‌های دیجیتال.

۳. اصول و روش‌های کنترل موتورهای کششی

کنترل موتورهای کششی معمولاً به دو دسته اساسی تقسیم می‌شود: کنترل های مبتنی بر سنسور و کنترل های بدون سنسور. روش‌های کنترلی بهبود دقت، کارایی و عمر مفید موتور را تضمین می‌کنند.

۳.۱. کنترل دور موتور (Speed Control)

مهم‌ترین پارامتر کنترل شده در موتورهای کششی، سرعت یا دور موتور است. از روش‌های مختلفی برای کنترل سرعت به شرح زیر استفاده می‌شود:

• کنترل ولتاژ مستقیم (V/f Control): در موتورهای القایی، نسبت ولتاژ به فرکانس تغذیه ثابت نگه داشته می‌شود تا گشتاور ثابت حاصل گردد.
• کنترل برداری (Vector Control): با استفاده از داده‌های سنسورهای جریان و موقعیت روتور، جریان‌ها به دو مؤلفه میدان مغناطیسی و گشتاور تفکیک شده و به شکل بهینه کنترل می‌شوند.
• FOC (Field Oriented Control): پیشرفته‌ترین شیوه کنترل موتورهای DC و AC که با پردازش سریع سیگنال‌های حسگر، گشتاور و شار را جداگانه کنترل می‌کند.

۳.۲. کنترل گشتاور موتور (Torque Control)

در کاربردهای خاص مانند خودروهای الکتریکی، کنترل دقیق گشتاور لازم است تا راندمان خودرو و امنیت حرکت تأمین شود. گشتاور موتور با اندازه‌گیری جریان و سرعت و بر اساس مدل‌های ریاضی کنترل می‌شود.

مثلاً در موتور براشلس DC، گشتاور تولیدی تقریبا متناسب با جریان نمونه‌برداری شده از طریق سنسورهای جریان است و الگوریتم PID برای تنظیم جریان و به تبع آن گشتاور استفاده می‌شود.

۳.۳. کنترل حرارتی و حفاظتی (Thermal and Protection Control)

هدف این بخش جلوگیری از آسیب‌های ناشی از گرمای بیش از حد، جریان اضافه، یا ولتاژ نامناسب است. سیستم‌های کنترل به طور مداوم داده‌های دما، جریان و ولتاژ سنسورها را تحلیل کرده و در صورت نیاز دستور توقف موتور، کاهش بار یا پیام هشدار را صادر می‌کنند.

۴. نمونه‌های کاربردی و تکنولوژی‌های نوین

۴.۱. کاربرد سنسورها در لوکوموتیوهای برقی

در لوکوموتیوهای برقی، موتورهای کششی بزرگ با سیستم‌های کنترل چند سطحی مجهز به انکودرهای دقیق (تا ۲۰۰۰ پالس بر دور) و ترکیب سنسورهای دما و جریان هستند. سیستم‌های کنترل با پردازش داده‌ها به صورت بلادرنگ، حداکثر بهره‌وری و ایمنی را فراهم می‌کنند.

۴.۲. موتورهای کششی در خودروهای برقی و هیبرید

در خودروهای برقی مدرن، موتورهای براشلس DC (BLDC) یا موتورهای القایی به همراه سنسورهای موقعیت اثر هال و جریان و دمای چند نقطه‌ای تامین کننده نیروی محرکه هستند.

برای مثال، در خودروی تسلا مدل 3، سیستم کنترل موتور بدون سنسور به کار گرفته شده که با استفاده از مدل‌های ریاضی و الگوریتم‌های تخمین موقعیت روتور، دقت بالایی در کنترل گشتاور و سرعت فراهم می‌کند.

۴.۳. استفاده از تکنولوژی IoT و هوش مصنوعی

امروزه با پیشرفت فناوری‌های اینترنت اشیاء (IoT) و هوش مصنوعی، داده‌های جمع‌آوری شده از سنسورها به صورت ابری تحلیل شده و الگوریتم‌های پیش‌بینی خرابی و نگهداری پیش‌بینی آغاز می‌شود که به جلوگیری از توقف ناگهانی موتورهای کششی کمک شایانی می‌کند.

۵. جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

در این مقاله به اهمیت و نقش کلیدی سنسورها در پایش و کنترل موتورهای کششی پرداختیم. بدون بهره‌برداری از سنسورهای جریان، ولتاژ، دما و موقعیت، کنترل دقیق و بهینه موتورهای کششی با چالش‌های جدی مواجه می‌شود.

روش‌های کنترل پیشرفته مانند کنترل برداری و FOC تنها در صورت دریافت داده‌های دقیق از سنسورها قابل پیاده‌سازی هستند. همچنین تکنولوژی‌های نوین مانند کنترل بدون سنسور و تحلیل داده‌های بزرگ (Big Data) به بهبود کارایی و ایمنی موتورهای کششی کمک می‌کنند.

لذا، انتخاب مناسب سنسورها و طراحی سیستم کنترل دقیق نقش بنیادینی در توسعه موتورهای کششی با عملکرد بالا دارد.