Какво е управление, ориентирано към полето?

Какво е управление с ориентиране на полето?

Определение на управлението с ориентиране на полето

Управлението с ориентиране на полето е сложна техника, която управлява асинхронните двигатели с индукция, като контролира независимо момента и магнитния поток, подобно на ДК двигатели.

Принцип на действие на управлението с ориентиране на полето

Управлението с ориентиране на полето включва контрол над статорните токове, представени от вектор. Този контрол е основан на проекции, които превръщат тримерна система, зависеща от времето и скоростта, в двумерна (d и q координати) система, не зависеща от времето.

Тези трансформации и проекции водят до структура, подобна на тази на управлението на ДК машина. Машина с FOC изисква две константи като входни референции: компонентата на момента (подравнена с q координата) и компонентата на потока (подравнена с d координата).

Тримерните напрежения, токове и потоци на АК двигателите могат да бъдат анализирани чрез комплексни пространствени вектори. Ако вземем ia, ib, ic като моментни токове в фазите на статора, то статорният вектор на тока се дефинира по следния начин:

Където, (a, b, c) са осите на тримерната система. Този пространствен вектор на тока представлява тримерна синусоидална система. Той трябва да бъде трансформиран в двумерна система, не зависеща от времето. Тази трансформация може да бъде разделена на два етапа:

(a, b, c) → (α, β) (трансформацията на Кларк), която дава изходи на двумерна система, зависеща от времето.

(α, β) → (d, q) (трансформацията на Парк), която дава изходи на двумерна система, не зависеща от времето.

Проекцията (a, b, c) → (α, β) (трансформацията на Кларк). Тримерните величини, както напрежения, така и токове, вариращи във времето във осите a, b и c, могат математически да бъдат трансформирани в двумерни напрежения или токове, вариращи във времето във осите α и β, чрез следната матрица на трансформация:

Приемайки, че оста a и оста α са в същата посока, а β е ортогонална към тях, имаме следния векторен диаграм:

По-горната проекция модифицира тримерната система в (α, β) двумерна ортогонална система, както е показано по-долу:

Но тези две фази (α, β) токове все още зависят от времето и скоростта. Проекцията (α, β) → (d, q) (трансформацията на Парк). Това е най-важната трансформация в FOC. В действителност, тази проекция модифицира двумерната фиксирана ортогонална система (α, β) в d, q въртяща се референтна система. Матрицата на трансформация е дадена по-долу:

Където, θ е ъгълът между въртящата се и фиксираната координатна система.

Ако приемете, че оста d е подравнена с роторния поток, Фигура 2 показва връзката между двата референтни системи за вектора на тока:

Където, θ е позицията на роторния поток. Компонентите на момента и потока на вектора на тока се определят от следните уравнения:

Тези компоненти зависят от компонентите (α, β) на вектора на тока и от позицията на роторния поток. Ако знаете точната позиция на роторния поток, то, чрез горното уравнение, компонентите d, q могат лесно да бъдат изчислени. В този момент, момента може да бъде контролиран директно, тъй като компонентата на потока (isd) и компонентата на момента (isq) са независими сега.

Основен модул за управление с ориентиране на полето

Измерват се фазните токове на статора. Тези измерени токове се подават в блока на трансформацията на Кларк. Изходите на тази проекция се наричат isα и isβ. Тези две компоненти на тока влизат в блока на трансформацията на Парк, който предоставя тока в d, q референтната система. 

Компонентите isd и isq се сравняват с референтните: isdref (референтата на потока) и isqref (референтата на момента). В този момент, структурата на контрола има предимство: тя може да се използва за контрол както на синхронни, така и на асинхронни машини, просто като се промени референтата на потока и се проследи позицията на роторния поток. В случая на PMSM, роторният поток е фиксиран, определен от магнитите, така че няма нужда да се създава един.

Следователно, при контрол на PMSM, isdref трябва да е равно на нула. Тъй като асинхронните двигатели изискват създаване на роторен поток, за да работят, референтата на потока не трябва да е равна на нула. Това лесно елиминира едно от основните недостатъци на "класическите" структури на контрол: преносимостта от асинхронни към синхронни приводи. 

Изходите на PI контролерите са Vsdref и Vsqref. Те се прилагат в блока на обратната трансформация на Парк. Изходите на тази проекция Vsαref и Vsβref се подават в алгоритъма на пространствен векторен импулсен модулационен (SVPWM) блок. Изходите на този блок предоставят сигнали, които задвижват инвертора. Тук както трансформациите на Парк, така и обратните трансформации на Парк изискват позицията на роторния поток. Следователно, позицията на роторния поток е съществена част от FOC.

Оценката на позицията на роторния поток е различна, ако разглеждаме синхронния или асинхронния двигатель. В случая на синхронен двигатель, скоростта на ротора е равна на скоростта на роторния поток. Тогава позицията на роторния поток се определя директно чрез датчик за позиция или чрез интегриране на скоростта на ротора.

В случая на асинхронен двигатель, скоростта на ротора не е равна на скоростта на роторния поток поради клиза; следователно, се използва специален метод за оценка на позицията на роторния поток (θ). Този метод използва модел на тока, който изисква две уравнения на модела на асинхронния двигател в d, q въртящи се референтни системи.

Упростили блок-схема на индиректното управление с ориентиране на полето

Класификация на управлението с ориентиране на полето

Управлението с ориентиране на полето за асинхронен двигател може да бъде обобщено в два типа: индиректно управление с ориентиране на полето (IFO