Co je Field Oriented Control?

Co je řízení orientované na pole?

Definice řízení orientovaného na pole

Řízení orientované na pole je sofistikovaná technika, která spravuje synchronní motory s indukčním vedením tím, že nezávisle ovládá točivý moment a magnetický tok, podobně jako u stejnosměrných motorů.

Princip fungování řízení orientovaného na pole

Řízení orientované na pole spočívá v ovládání statorových proudů reprezentovaných vektorem. Toto řízení je založeno na projekcích, které transformují třífázový systém závislý na čase a rychlosti do dvousoustavového (d a q rámové) časově invariantního systému.

 Tyto transformace a projekce vedou k struktuře podobné řízení stejnosměrného stroje. Stroje s FOC potřebují dva konstanty jako vstupní referenční hodnoty: komponentu točivého momentu (zarovnanou s q souřadnicí) a komponentu magnetického toku (zarovnanou s d souřadnicí).

Třífázové napětí, proudy a toky synchronních motorů lze analyzovat v termínech komplexních prostorových vektorů. Pokud vezmeme ia, ib, ic jako okamžité proudy ve fázích statoru, pak se statorový proudový vektor definuje následovně:

Kde (a, b, c) jsou osy třífázového systému. Tento prostorový proudový vektor reprezentuje třífázový sinusový systém. Musí být transformován do dvousoustavového časově invariantního souřadnicového systému. Tato transformace se může rozdělit do dvou kroků:

(a, b, c) → (α, β) (transformace Clarke), která dává výstupy dvousoustavového časově variantního systému.

(a, β) → (d, q) (transformace Park), která dává výstupy dvousoustavového časově invariantního systému.

Projekce (a, b, c) → (α, β) (transformace Clarke) Třífázové veličiny, buď napětí nebo proudy, se mohou matematicky transformovat do dvoufázových napětí nebo proudů, změnou v čase podél os α a β následující transformační maticí:

Předpokládáme, že osa a a osa α jsou ve stejném směru a β je ortogonální k nim, máme následující vektorový diagram:

Výše uvedená projekce modifikuje třífázový systém do (α, β) dvoudimenzionálního ortogonálního systému následovně:

Ale tyto dvě fáze (α, β) stále závisí na čase a rychlosti. Projekce (α, β) → (d.q) (transformace Park) Toto je nejdůležitější transformace v FOC. Vlastně tato projekce modifikuje dvoufázový pevný ortogonální systém (α, β) do d, q rotujícího referenčního systému. Transformační matice je uvedena níže:

Kde θ je úhel mezi rotujícím a pevným souřadnicovým systémem.

Pokud považujete osu d za zarovnanou s rotorovým tokem, obrázek 2 ukazuje vztah z obou referenčních systémů pro proudový vektor:

Kde θ je pozice rotorového toku. Komponenty točivého momentu a magnetického toku proudového vektoru jsou určeny následujícími rovnicemi:

Tyto komponenty závisí na komponentách proudového vektoru (α, β) a na pozici rotorového toku. Pokud znáte přesnou pozici rotorového toku, pak lze snadno vypočítat komponenty d, q podle výše uvedené rovnice. V tomto okamžiku lze přímo ovládat točivý moment, protože komponenta toku (isd) a komponenta točivého momentu (isq) jsou nyní nezávislé.

Základní modul pro řízení orientované na pole

Statorové fázové proudy jsou měřeny. Tyto změřené proudy jsou zavedeny do bloku transformace Clarke. Výstupy této projekce jsou označeny isα a isβ. Tyto dvě komponenty proudu vstupují do bloku transformace Park, který poskytuje proud v d, q referenčním rámci. 

Komponenty isd a isq jsou porovnány s referencemi: isdref (referenční tok) a isqref (referenční točivý moment). V tomto okamžiku má kontrolní struktura výhodu: může být použita k ovládání jak synchronních, tak indukčních strojů jednoduchou změnou referenčního toku a sledováním pozice rotorového toku. U PMSM je rotorový tok pevně stanovený magnety, takže není třeba ho vytvářet. 

Proto při řízení PMSM by měla být isdref rovna nule. Protože indukční motory potřebují vytvoření rotorového toku, aby mohly pracovat, referenční tok nesmí být roven nule. To snadno eliminuje jednu z hlavních nedostatků "klasických" kontrolních struktur: přenos z asynchronních na synchronní pohon. 

Výstupy PI regulátorů jsou Vsdref a Vsqref. Jsou aplikovány na inverzní blok transformace Park. Výstupy této projekce jsou Vsαref a Vsβref, které jsou zavedeny do algoritmu širokopásmové pulzní šířkové modulace (SVPWM). Výstupy tohoto bloku poskytují signály, které řídí inverter. Zde jsou nutné obě transformace Park a inverzní transformace Park pro pozici rotorového toku. Proto je pozice rotorového toku klíčová pro FOC.

Hodnocení pozice rotorového toku se liší, pokud bereme v úvahu synchronní nebo indukční motor. V případě synchronních motorů je rychlost rotoru rovna rychlosti rotorového toku. Pak je pozice rotorového toku přímo určena senzorem polohy nebo integrací rychlosti rotoru.

V případě asynchronních motorů není rychlost rotoru rovna rychlosti rotorového toku kvůli skluzu; proto se používá specifická metoda k hodnocení pozice rotorového toku (θ). Tato metoda využívá model proudu, který vyžaduje dvě rovnice modelu indukčního motoru v d, q rotujícím referenčním rámci.

Zjednodušený blokový diagram nepřímého FOC

Klasifikace řízení orientovaného na pole

FOC pro pohon indukčního motoru lze zhruba rozdělit na dva typy: Nepřímé FOC a Přímé FOC schéma. V DFOC strategii je vektor rotorového toku buď měřen pomocí senzoru toku umístěného v vzduchové mezi nebo pomocí napěťových rovnic odvozených z parametrů elektrického stroje.

 Ale v případě IFOC je vektor rotorového toku odhadován pomocí rovnic řízení orientovaného na pole (model proudu) vyžadujícího měření rychlosti rotoru. Mezi oběma schématy je IFOC častěji používáno, protože v uzavřené smyčce může snadno pracovat v celém rozsahu rychlostí od nulové rychlosti po vysokou rychlost s oslabením pole.

Výhody řízení orientovaného na pole

• Zlepšená odezva točivého momentu.

• Řízení točivého momentu v nízkých frekvencích a nízkých rychlostech.

• Dynamická přesnost rychlosti.

• Snížení velikosti motoru, nákladů a spotřeby energie.

• Čtyřkvadrantová operace.

• Schopnost krátkodobého přetížení.