Was ist Feldorientierte Regelung?

Was ist Feldorientierte Regelung?

Definition der Feldorientierten Regelung

Die Feldorientierte Regelung ist eine fortgeschrittene Technik, die Wechselstrom-Induktionsmotoren durch die unabhängige Steuerung von Drehmoment und magnetischer Flussdichte verwaltet, ähnlich wie bei Gleichstrommotoren.

Arbeitsprinzip der Feldorientierten Regelung

Die Feldorientierte Regelung besteht darin, die Statorströme, die durch einen Vektor dargestellt werden, zu steuern. Diese Steuerung basiert auf Projektionen, die ein dreiphasiges, zeit- und geschwindigkeitsabhängiges System in ein zweidimensionales, zeitunabhängiges (d und q Achsen) System transformieren.

Diese Transformationen und Projektionen führen zu einer Struktur, die der Steuerung eines Gleichstrommotors ähnelt. FOC-Maschinen benötigen zwei Konstanten als Eingabereferenzen: die Drehmomentkomponente (ausgerichtet mit der q-Achse) und die Flusskomponente (ausgerichtet mit der d-Achse).

Die dreiphasigen Spannungen, Ströme und Flüsse von Wechselstrommotoren können in komplexen Raumvektoren analysiert werden. Wenn wir ia, ib, ic als momentane Ströme in den Statorphasen betrachten, dann wird der Statorstromvektor wie folgt definiert:

Wobei (a, b, c) die Achsen des dreiphasigen Systems sind. Dieser Stromraumvektor repräsentiert das dreiphasige sinusförmige System. Er muss in ein zweidimensionales, zeitunabhängiges Koordinatensystem transformiert werden. Diese Transformation kann in zwei Schritte unterteilt werden:

(a, b, c) → (α, β) (die Clarke-Transformation), welche Ausgänge eines zweidimensionalen, zeitvarianten Systems liefert.

(α, β) → (d, q) (die Park-Transformation), welche Ausgänge eines zweidimensionalen, zeitinvarianten Systems liefert.

Die (a, b, c) → (α, β) Projektion (Clarke-Transformation)Dreiphasige Größen, entweder Spannungen oder Ströme, die sich im Zeitverlauf entlang der Achsen a, b und c ändern, können mathematisch in zweiphasige Spannungen oder Ströme, die sich im Zeitverlauf entlang der Achsen α und β ändern, durch die folgende Transformationsmatrix transformiert werden:

Angenommen, die Achse a und die Achse α liegen in gleicher Richtung und β steht orthogonal dazu, haben wir das folgende Vektordiagramm:

Die obige Projektion modifiziert das dreiphasige System in das (α, β) zweidimensionale orthogonale System, wie unten angegeben:

Aber diese beiden Phasenströme (α, β) hängen noch von Zeit und Geschwindigkeit ab. Die (α, β) → (d.q) Projektion (Park-Transformation) Diese ist die wichtigste Transformation in der FOC. Tatsächlich modifiziert diese Projektion das feste orthogonale Zweiphasensystem (α, β) in ein rotierendes Referenzsystem (d, q). Die Transformationsmatrix lautet wie folgt:

Wobei θ der Winkel zwischen dem rotierenden und festen Koordinatensystem ist.

Wenn man die d-Achse mit dem Rotorfluss ausrichtet, zeigt Abbildung 2 die Beziehung zwischen den beiden Referenzrahmen für den Stromvektor:

Wobei θ die Position des Rotorflusses ist. Die Drehmoment- und Flusskomponenten des Stromvektors werden durch die folgenden Gleichungen bestimmt:

Diese Komponenten hängen von den Stromvektor-Komponenten (α, β) und der Position des Rotorflusses ab. Wenn man die genaue Position des Rotorflusses kennt, dann kann man die d- und q-Komponenten leicht berechnen. In diesem Moment kann das Drehmoment direkt gesteuert werden, da die Flusskomponente (isd) und die Drehmomentkomponente (isq) jetzt unabhängig sind.

Grundmodul für die Feldorientierte Regelung

Die Statorphasenströme werden gemessen. Diese gemessenen Ströme werden in den Block der Clarke-Transformation eingespeist. Die Ausgänge dieser Projektion heißen isα und isβ. Diese beiden Komponenten des Stroms gehen in den Block der Park-Transformation, der den Strom im d, q-Referenzrahmen bereitstellt. 

Die isd- und isq-Komponenten werden mit den Referenzen verglichen: isdref (der Flussreferenz) und isqref (der Drehmomentreferenz). In diesem Moment hat die Steuerstruktur einen Vorteil: Sie kann verwendet werden, um sowohl synchrone als auch induktive Maschinen zu steuern, indem einfach die Flussreferenz geändert und die Rotorflussposition verfolgt wird. Im Fall von PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) ist der Rotorfluss durch Magnete festgelegt, so dass es keinen Bedarf gibt, einen zu erzeugen. 

Daher sollte beim Steuern eines PMSM isdref gleich Null sein. Da Induktionsmotoren eine Rotorfluss-Erzeugung benötigen, um zu arbeiten, darf die Flussreferenz nicht gleich Null sein. Dies eliminiert eines der Hauptprobleme der „klassischen“ Steuerstrukturen: die Portabilität von asynchronen auf synchrone Antriebe. 

Die Ausgänge der PI-Regler sind Vsdref und Vsqref. Sie werden an den Block der inversen Park-Transformation angelegt. Die Ausgänge dieser Projektion, Vsαref und Vsβref, werden an den Block des Raumvektor-Pulsweitenmodulationsalgorithmus (SVPWM) eingespeist. Die Ausgänge dieses Blocks liefern Signale, die den Inverter steuern. Hierbei benötigen sowohl die Park- als auch die inverse Park-Transformation die Position des Rotorflusses. Daher ist die Position des Rotorflusses das Wesen der FOC.

Die Bestimmung der Position des Rotorflusses unterscheidet sich, wenn man synchrone oder induktive Motoren berücksichtigt.Im Fall von synchronen Motoren ist die Rotorgeschwindigkeit gleich der Geschwindigkeit des Rotorflusses. Dann wird die Position des Rotorflusses direkt durch einen Positionsgeber oder durch die Integration der Rotorgeschwindigkeit bestimmt.

Im Fall von asynchronen Motoren ist die Rotorgeschwindigkeit nicht gleich der Geschwindigkeit des Rotorflusses, aufgrund des Schlupps; daher wird eine spezielle Methode verwendet, um die Position des Rotorflusses (θ) zu bestimmen. Diese Methode nutzt ein Strommodell, das zwei Gleichungen des Induktionsmotormodells im d, q-rotierenden Referenzrahmen benötigt.

Vereinfachtes Blockdiagramm der indirekten FOC

Klassifikation der Feldorientierten Regelung

Die FOC für den Induktionsmotorantrieb kann in zwei Typen eingeteilt werden: indirekte FOC und direkte FOC. Bei der DFOC-Strategie wird der Rotorflussvektor entweder durch einen Fluss sensor, der in der Luftspalte montiert ist, oder durch die Verwendung der Spannungsgleichungen, ausgehend von den elektrischen Maschinendaten, gemessen.

 Bei der IFOC wird der Rotorflussvektor jedoch mithilfe der Feldorientierungs-Gleichungen (Strommodell) geschätzt, wobei eine Messung der Rotorgeschwindigkeit erforderlich ist. Von beiden Schemata wird die IFOC häufiger verwendet, da sie im geschlossenen Kreislauf über den gesamten Geschwindigkeitsbereich von Nullgeschwindigkeit bis zur Hochgeschwindigkeitsfeldschwächung leicht betrieben werden kann.

Vorteile der Feldorientierten Regelung

• Verbesserter Drehmomentantwort.

• Drehmomentsteuerung bei niedrigen Frequenzen und niedriger Geschwindigkeit.

• Dynamische Geschwindigkeitsgenauigkeit.

• Reduktion der Motorgöße, Kosten und Energieverbrauch.

• Betrieb in vier Quadranten.

• Kurzzeitige Überlastfähigkeit.