ما هو التحكم الموجه حسب المجال؟

ما هو التحكم الموجه بالمجال؟

تعريف التحكم الموجه بالمجال

التحكم الموجه بالمجال هي تقنية معقدة تدير محركات الإندكشن ذات التيار المتردد من خلال التحكم المستقل في العزم والمجال المغناطيسي، مشابهة لمحركات التيار المباشر.

مبدأ عمل التحكم الموجه بالمجال

يتكون التحكم الموجه بالمجال من التحكم في تيارات الاستاتور التي يتم تمثيلها بواسطة متجه. هذا التحكم يعتمد على الإسقاطات التي تحول نظام ثلاثي الأطوار متغير زمنياً وسرعة إلى نظام ثنائي الإحداثيات (إطار d و q) ثابت زمنياً.

 تؤدي هذه التحويلات والإسقاطات إلى بنية مشابهة لتلك الخاصة بتحكم محرك التيار المباشر. تحتاج آلات FOC إلى ثوابتين كمرجع للإدخال: مكون العزم (متزامن مع إحداثيات q) ومكون المجال (متزامن مع إحداثيات d).

يمكن تحليل الجهد والتيار والمجال المغناطيسي لمحركات التيار المتردد من حيث المتجهات الفضائية المعقدة. إذا اعتبرنا ia، ib، ic كتيارات فورية في أطوار الاستاتور، فإن متجه التيار في الاستاتور يتم تعريفه كما يلي:

حيث (a, b, c) هي محاور النظام الثلاثي الأطوار. يمثل هذا المتجه الفضائي النظام الثلاثي الأطوار ذو الشكل الجيبوي. يحتاج إلى التحويل إلى نظام إحداثيات ثنائي ثابت زمنياً. يمكن تقسيم هذا التحويل إلى خطوتين:

(a, b, c) → (α, β) (التحويل كلارك)، والذي يعطي مخرجات لنظام إحداثيات ثنائي متغير زمنياً.

(α, β) → (d, q) (التحويل بارك)، والذي يعطي مخرجات لنظام إحداثيات ثنائي ثابت زمنياً.

الإسقاط (a, b, c) → (α, β) (التحويل كلارك). يمكن تحويل الكميات الثلاثية الأطوار سواء كانت جهوداً أو تيارات، تتغير زمنياً على المحاور a, b, c رياضياً إلى جهود أو تيارات ثنائية الأطوار، تتغير زمنياً على المحاور α و β باستخدام المصفوفة التالية للتحويل:

بافتراض أن المحور a والمحور α في نفس الاتجاه وأن المحور β متعامد عليهما، نحصل على الرسم البياني التالي للمتجهات:

يقوم الإسقاط أعلاه بتعديل النظام الثلاثي الأطوار إلى نظام ثنائي الأبعاد متعامد (α, β) كما يلي:

لكن هذين التيارين الثنائيين (α, β) لا يزالان يعتمدان على الزمن والسرعة. الإسقاط (α, β) → (d, q) (التحويل بارك). يعتبر هذا التحويل الأكثر أهمية في FOC. في الواقع، يقوم هذا الإسقاط بتعديل النظام الثابت الثنائي الأطوار (α, β) إلى نظام إحداثيات دوارة (d, q). المصفوفة التحويلية موضحة أدناه:

حيث θ هي الزاوية بين نظام الإحداثيات الدوارة والنظام الثابت.

إذا كنت تعتبر المحور d متماشياً مع مجال الدوار، توضح الشكل 2 العلاقة بين إطاري المرجع الحالي:

حيث θ هي موقع مجال الدوار. يتم تحديد مكونات العزم والمجال لمتجه التيار بالمعادلات التالية:

تعتمد هذه المكونات على مكونات متجه التيار (α, β) وعلى موقع مجال الدوار. إذا كنت تعرف الموقع الدقيق لمجال الدوار، يمكن حساب مكونات d و q بسهولة باستخدام المعادلة أعلاه. في هذا الوقت، يمكن التحكم في العزم مباشرة لأن مكون المجال (isd) ومكون العزم (isq) مستقلان الآن.

وحدة أساسية للتحكم الموجه بالمجال

يتم قياس تيارات أطوار الاستاتور. يتم تغذية هذه التيارات المقاسة إلى كتلة التحويل كلارك. مخرجات هذا الإسقاط تسمى isα و isβ. يدخل هذان المكونان للتيار إلى كتلة التحويل بارك التي توفر التيار في إطار المرجع d, q. 

مكونات isd و isq يتم مقارنتها بالمرجع: isdref (مرجع المجال) و isqref (مرجع العزم). في هذا الوقت، تكون لهيكلية التحكم ميزة: يمكن استخدامها لتحكم في محركات متزامنة أو استقراءية ببساطة عن طريق تغيير مرجع المجال وتتبع موقع مجال الدوار. في حالة PMSM، يكون مجال الدوار ثابتاً محدداً بواسطة المغناطيس، لذا لا يوجد حاجة لإنشاء واحد. 

لذلك، أثناء التحكم في PMSM، يجب أن يكون isdref مساوياً للصفر. بما أن محركات الاستقراء تحتاج إلى خلق مجال دوار للعمل، يجب ألا يكون مرجع المجال مساوياً للصفر. هذا يلغي بسهولة أحد أكبر نقاط الضعف في الهياكل "الكلاسيكية" للتحكم: القابلية للنقل من محركات غير متزامنة إلى محركات متزامنة. 

مخرجات مراقبة PI هي Vsdref و Vsqref. يتم تطبيقها على كتلة التحويل بارك العكسي. مخرجات هذا الإسقاط هي Vsαref و Vsβref يتم تغذيتها إلى خوارزمية النبض العرضي للمتجه الفضائي (SVPWM). تقدم مخرجات هذه الكتلة إشارات تدفع المُحوِّل. هنا، يحتاج كلا التحويلين بارك والبارك العكسي إلى موقع مجال الدوار. وبالتالي، فإن موقع مجال الدوار هو جوهر FOC.

تقييم موقع مجال الدوار مختلف إذا كان نظرنا إلى محرك متزامن أو استقراءي. في حالة المحركات المتزامنة، سرعة الدوار تساوي سرعة مجال الدوار. ثم يتم تحديد موقع مجال الدوار مباشرة بواسطة مستشعر الموضع أو بواسطة تكامل سرعة الدوار.

في حالة المحركات الاستقراءية، سرعة الدوار ليست مساوية لسرعة مجال الدوار بسبب الانزلاق؛ لذلك يتم استخدام طريقة خاصة لتقييم موقع مجال الدوار (θ). تستخدم هذه الطريقة نموذج التيار، الذي يحتاج إلى معادلتين من نموذج المحرك الاستقراءي في إطار المرجع الدوارة d, q.

رسم تخطيطي مبسط للتحكم الموجه بالمجال غير المباشر

تصنيف التحكم الموجه بالمجال

يمكن تصنيف FOC لمحركات الاستقراء بشكل عام إلى نوعين: FOC غير مباشر وFOC مباشر. في استراتيجية DFOC، يتم قياس متجه مجال الدوار إما بواسطة مستشعر المجال المثبت في الفجوة الهوائية أو باستخدام معادلات الجهد بدءًا من معلمات الجهاز الكهربائي.

 ولكن في حالة IFOC، يتم تقدير متجه مجال الدوار باستخدام معادلات التحكم الموجه بالمجال (نموذج التيار) مما يتطلب قياس سرعة الدوار. من بين الطريقتين، يتم استخدام IFOC بشكل أكثر شيوعًا لأنه في وضع الحلقة المغلقة يمكنه العمل بسهولة عبر نطاق السرعات من السرعة الصفرية إلى السرعة العالية لتقليل المجال.

مزايا التحكم الموجه بالمجال

• تحسين استجابة العزم.

• تحكم في العزم عند الترددات المنخفضة والسرع المنخفضة.

• دقة سرعة ديناميكية.

• تخفيض في حجم المحرك والتكلفة والاستهلاك الكهربائي.

• تشغيل في الأربعة رباعيات.

• قدرة على الحمل الزائد لفترة قصيرة.