( بررسی جامع فناوری Sensorless ):
تا به حال هنگام تعمیر با موتور اینورتر لباسشویی که بدون تاخو ( تاکومتر ) کار کند، برخورد کرده اید؟
در نسل‌های گذشته ماشین‌های لباسشویی، کنترل دقیق سرعت و گشتاور موتور توسط سنسورهای مکانیکی مانند تاکومتر (Tachometer) یا سنسور اثر هال انجام می‌شد. تاکومتر یا تاخو قطعه‌ای بود که در انتهای شفت موتور نصب می‌شد و با تولید پالس‌های الکتریکی، وضعیت و سرعت واقعی چرخش روتور را به برد کنترل بازخورد (Feedback) می‌داد.
اما در نسل جدید ماشین‌های لباسشویی اینورتر (به‌ویژه مدل‌های اینورتر تسمه‌ای ارائه شده توسط شرکت‌های پیشرو مانند سامسونگ)، سیم‌کشی‌های مربوط به تاخو ( تاکومتر ) کاملاً رها و حذف شده‌اند. هنگام نصب بردهای جدید نیز تنها سیم‌های تغذیه فازهای موتور متصل می‌شوند.
سؤال اساسی این است: وقتی هیچ سنسور فیزیکی برای اندازه‌گیری مستقیم سرعت وجود ندارد، برد الکترونیکی چگونه موقعیت روتور را تشخیص داده و دور موتور را با دقت کنترل می‌کند؟
پاسخ این سؤال در به‌کارگیری فناوری کنترل بدون سنسور یا Sensorless Control و الگوریتم‌های پیشرفته پردازش سیگنال نهفته است.
تفاوت ساختاری کنترل با تاخو و کنترل بدون تاخو (Sensorless)
در روش‌های سنتی، سیستم کنترل از یک حلقه بسته‌ی کاملاً متکی به سخت‌افزار استفاده می‌کرد:
فرمان برد⟶حرکت موتور⟶اندازه‌گیری سرعت توسط تاکومتر⟶ارسال بازخورد به برد⟶اصلاح ولتاژ
در این ساختار، برد الکترونیکی بدون وجود سیگنال تاکومتر عملاً «نابینا» بود و توانایی مدیریت موتور را از دست می‌داد.
اما در سیستم‌های Sensorless Control، بازخورد مکانیکی حذف شده و جای خود را به بازخورد الکتریکی و محاسبات ریاضی داده است:
فرمان برد⟶تغذیه موتور⟶نمونه‌برداری مستمر از جریان و ولتاژ فازها⟶تخمین وضعیت توسط پردازنده⟶اصلاح آنلاین فرمول حرکتی
در این روش، پردازنده برد سرعت موتور را اندازه‌گیری مستقیم نمی‌کند، بلکه آن را در هر میکروثانیه تخمین می‌زند (Estimation).
چرا تاکومتر – تاخو از نسل جدید موتورهای اینورتر حذف شد؟
حذف تاکومتر فیزیکی تنها برای کاهش هزینه تولید نیست، بلکه یک ارتقای مهندسی در راستای افزایش قابلیت اطمینان (Reliability) کل سیستم است:
- کاهش استهلاک و خرابی: تاکومترها به دلیل قرارگیری در معرض لرزش‌های شدید، رطوبت، گرمای موتور و نفوذ آب، نرخ خرابی بالایی داشتند.
- حذف نویز الکترومغناطیسی (EMI): سیم‌های ضعیف سیگنال تاکومتر در مجاورت سیم‌های توان یا قدرت، به‌شدت تحت تأثیر نویز ناشی از کلیدزنی فرکانس بالای IGBT های برد اینورتر قرار می‌گرفتند. ( در برخی لباسشویی ها از آی سی به جای IGBT استفاده می شود. منظور همان ای سی معروف STK است.)
- ساده‌سازی سیم‌کشی (Harnessing): کاهش تعداد رشته‌های سیم رابط بین برد اصلی و موتور، احتمال قطع‌شدگی سیم‌ها و خطاهای مونتاژ یا تعمیرات را به حداقل می‌رساند.
برد اینورتر چگونه بدون سنسور(تاخو) وضعیت موتور را تشخیص می‌دهد؟
موتورهای اینورتر مدرن لباسشویی عموماً از نوع سنکرون مغناطیس دائم (PMSM) یا سنکرون بدون جاروبک (BLDC) هستند. برد اینورتر با کلیدزنی IGBTها، ولتاژ متناوب سه فاز با فرکانس و دامنه متغیر تولید می‌کند تا میدان مغناطیسی دوار ایجاد شود.
برای آگاهی بیشتر در مورد موتورهای بدون زغال یا همان BLDC به این مقاله مراجعه شود.
هنگام چرخش روتورِ حاوی مگنت‌های دائمی درون سیم‌پیچ‌های استاتور، موتور دقیقاً مانند یک ژنراتور عمل کرده و ولتاژی در جهت مخالف ولتاژ تغذیه القا می‌کند که نیروی ضد محرکه الکتریکی (Back-EMF) نامیده می‌شود.
۱. تحلیل نیروی ضد محرکه (Back-EMF Observation)
دامنه و فرکانس ولتاژ Back-EMF کاملاً تابع سرعت و موقعیت زاویه‌ای روتور است:
E=Ke⋅ω
که در آن:
- E: ولتاژ Back-EMF القا شده
- Ke: ثابت ولتاژ اختصاصی موتور
- ω: سرعت زاویه‌ای روتور
برد الکترونیکی با نمونه‌برداری لحظه‌ای از ولتاژ و جریان فازها، نقطه عبور از صفر (Zero-Crossing) یا تغییرات فاز Back-EMF را تحلیل کرده و متوجه سرعت و جهت چرخش روتور می‌شود.
۲. الگوریتم کنترل برداری FOC و رویت‌گرهای حالت (Sliding Mode Observer)
در سیستم‌های پیشرفته‌تر، از روش کنترل فیلد محور (Field Oriented Control – FOC) به همراه رویت‌گرهای نرم‌افزاری مانند Sliding Mode Observer (SMO) استفاده می‌شود.
در این روش:
- جریان‌های سه فاز موتور (Ia,Ib,Ic) توسط مقاومت‌های شنت روی برد اندازه‌گیری می‌شوند.
- با استفاده از تبدیلات ریاضی کلارک و پارک، جریان‌ها به دو مؤلفه مستقل تجزیه می‌شوند:
- مؤلفه Id: جریان کنترل‌کننده شار مغناطیسی
- مؤلفه Iq: جریان کنترل‌کننده گشتاور
- پردازنده بر اساس مدل ریاضی دقیق الکترومکانیکی موتور، موقعیت لحظه‌ای روتور (θ) و سرعت را تخمین زده و فرمان‌های PWM را صادر می‌کند.
تفاوت موتورهای القایی تک‌فاز (خازنی) و موتورهای اینورتر؛ کدام بهتر است؟
چالش سرعت‌های پایین و راه‌اندازی (Startup)
اصلی‌ترین چالش سیستم‌های Sensorless این است که در لحظه توقف یا سرعت‌های بسیار پایین، ولتاژ Back-EMF نزدیک به صفر است و قابل شناسایی نیست.
برد اینورتر برای حل این چالش در لحظه شروع حرکت از استراتژی‌های ترکیبی استفاده می‌کند:
- تزریق سیگنال فرکانس بالا (High-Frequency Injection): بررسی تغییرات عدم تقارن اندوکتانس سیم‌پیچ‌ها برای یافتن موقعیت اولیه‌ی مگنت روتور.
- راه‌اندازی حلقه باز (Open-Loop Startup): اعمال یک جریان اولیه مشخص جهت هم‌راستاسازی روتور و سپس افزایش تدریجی فرکانس تا رسیدن به سرعتی که Back-EMF قابل دریافت و سوئیچ به حالت حلقه بسته (Closed-Loop) شود.
تشخیص ناموازنی بار (Unbalance Detection) بدون تاکومتر یا تاخو
یکی از وظایف کلیدی سیستم کنترل در ماشین لباسشویی، تشخیص نوسانات جزیی سرعت جهت محاسبه نابرابری و توزیع نامناسب لباس‌ها در دیگ (Unbalance) پیش از ورود به دور بالا (Spin) است.
در موتورهای بدون تاکومتر، برد اینورتر این کار را از طریق پایش نوسانات گشتاور (Torque Ripple) انجام می‌دهد. نابرابری بار باعث نوسان سینوسی در گشتاور مورد نیاز و در نتیجه تغییرات لحظه‌ای در جریان فاز Iq می‌شود. پردازنده با تحلیل دامنه‌ی این نوسانات جریان در دورهای پایین (۴۰ تا ۹۰ دور در دقیقه)، میزان ناهمگونی بار داخل دیگ را با دقتی حتی بالاتر از تاکومترهای فیزیکی محاسبه می‌کند.
نتیجه‌گیری
حذف تاکومتر در موتورهای اینورتر جدید سامسونگ و سایر برندهای پیشرو، به معنای بی‌خبر بودن برد از وضعیت موتور نیست؛ بلکه نشان‌دهنده ترجیح نرم‌افزار هوشمند و پردازش ریاضی بر قطعات مکانیکی آسیب‌پذیر است.
فناوری Sensorless Control با اتکا بر اندازه‌گیری جریان، تحلیل Back-EMF و اجرای الگوریتم‌های FOC، علاوه بر کاهش هزینه تعمیرات و سیم‌کشی، دوام بالاتر، راندمان انرژی بهتر و کنترل حرکتی نرم‌تری را برای نسل جدید ماشین‌های لباسشویی به ارمغان آورده است.
بسیار عالی
سپاس 🙂
سپاس😊