Τι είναι το Field Oriented Control;

Τι είναι η Ελεγχος Πεδίου;

Ορισμός του Ελέγχου Πεδίου

Ο έλεγχος πεδίου είναι μια περίπλοκη τεχνική που διαχειρίζεται τους ρευστοροϊδικούς κινητήρες ανάμιξης (AC) με την ανεξάρτητη διαχείριση της ροπής και του μαγνητικού ρεύματος, όπως στους κινητήρες έντασης (DC).

Λειτουργική Αρχή του Ελέγχου Πεδίου

Ο έλεγχος πεδίου βασίζεται στον έλεγχο των ρευμάτων του στάτορα που αντιπροσωπεύονται από ένα διάνυσμα. Αυτός ο έλεγχος βασίζεται σε προβολές που μετατρέπουν ένα σύστημα τριφασικών ρευμάτων που εξαρτώνται από το χρόνο και την ταχύτητα σε ένα σύστημα δύο συντεταγμένων (d και q frame) που είναι ανεξάρτητο από το χρόνο.

Αυτές οι μετατροπές και προβολές οδηγούν σε μια δομή παρόμοια με την ελεγχή ενός DC μηχανής. Οι μηχανές FOC χρειάζονται δύο σταθερές ως προσανατολισμικές αναφορές: το στοιχείο ροπής (συντεταγμένη q) και το στοιχείο ρεύματος (συντεταγμένη d).

Τα τριφασικά ρεύματα, ρεύματα και ρεύματα των AC-κινητήρων μπορούν να αναλυθούν σε όρους πολύπλοκων χωρικών διανυσμάτων. Αν θεωρήσουμε τα ia, ib, ic ως τα ενδεικτικά ρεύματα στις φάσεις του στάτορ, τότε το διάνυσμα του ρεύματος του στάτορ ορίζεται ως εξής:

Όπου, (a, b, c) είναι οι άξονες του τριφασικού συστήματος. Αυτό το διάνυσμα χώρου ρεύματος αντιπροσωπεύει το τριφασικό συνημιτονοειδές σύστημα. Χρειάζεται να μετατραπεί σε ένα διανυσματικό σύστημα δύο συντεταγμένων ανεξάρτητων από το χρόνο. Αυτή η μετατροπή μπορεί να χωριστεί σε δύο βήματα:

(a, b, c) → (α, β) (η μετατροπή Clarke), η οποία δίνει τα αποτελέσματα ενός συστήματος δύο συντεταγμένων που εξαρτώνται από το χρόνο.

(α, β) → (d, q) (η μετατροπή Park), η οποία δίνει τα αποτελέσματα ενός συστήματος δύο συντεταγμένων ανεξάρτητων από το χρόνο.

Η (a, b, c) → (α, β) Προβολή (μετατροπή Clarke) Τριφασικά μεγέθη, είτε ρεύματα είτε ρεύματα, που μεταβάλλονται στο χρόνο κατά μήκος των άξονων a, b, και c μπορούν να μετατραπούν μαθηματικά σε διφασικά ρεύματα ή ρεύματα, που μεταβάλλονται στο χρόνο κατά μήκος των άξονων α και β με την ακόλουθη μετατροπή μήτρας:

Υποθέτοντας ότι ο άξονας a και ο άξονας α είναι κατά μήκος της ίδιας κατεύθυνσης και ο β είναι ορθόγωνος σε αυτούς, έχουμε το ακόλουθο διαγράμματο διανυσμάτων:

Η παραπάνω προβολή τροποποιεί το τριφασικό σύστημα σε ένα διαστατικό σύστημα (α, β) δύο συντεταγμένων όπως αναφέρεται παρακάτω:

Αλλά αυτά τα δύο φάσεις (α, β) ρεύματα εξαρτώνται ακόμη από το χρόνο και την ταχύτητα. Η (α, β) → (d.q) προβολή (μετατροπή Park) Αυτή είναι η πιο σημαντική μετατροπή στο FOC. Στην πραγματικότητα, αυτή η προβολή τροποποιεί το διαστατικό σύστημα (α, β) σε συντεταγμένο σύστημα (d, q) που περιστρέφεται. Η μετατροπή μήτρας δίνεται παρακάτω:

Όπου, θ είναι ο γωνιακός διάστημας μεταξύ του περιστρεφόμενου και του σταθερού συστήματος συντεταγμένων.

Εάν θεωρήσετε τον άξονα d συμπεπλαγμένο με τη θέση του ροτορικού ρεύματος, η Σχήμα 2 δείχνει τη σχέση από τα δύο συστήματα αναφοράς για το διάνυσμα ρεύματος:

Όπου, θ είναι η θέση του ροτορικού ρεύματος. Τα στοιχεία ροπής και ρεύματος του διανυσματικού ρεύματος καθορίζονται από τις ακόλουθες εξισώσεις:

Αυτά τα στοιχεία εξαρτώνται από τα στοιχεία (α, β) του διανυσματικού ρεύματος και από τη θέση του ροτορικού ρεύματος. Εάν γνωρίζετε την ακριβή θέση του ροτορικού ρεύματος, τότε, με την παραπάνω εξίσωση, τα στοιχεία d, q μπορούν να υπολογιστούν εύκολα. Σε αυτή τη στιγμή, η ροπή μπορεί να ελεγχθεί άμεσα, διότι το στοιχείο ρεύματος (isd) και το στοιχείο ροπής (isq) είναι τώρα ανεξάρτητα.

Βασικό Μέρος για Ελεγχος Πεδίου

Μετρούνται τα ρεύματα των φάσεων του στάτορ. Αυτά τα μετρημένα ρεύματα εισάγονται στο μπλοκ μετατροπής Clarke. Τα αποτελέσματα αυτής της προβολής ονομάζονται isα και isβ. Αυτά τα δύο στοιχεία του ρεύματος εισάγονται στο μπλοκ μετατροπής Park που παρέχει το ρεύμα στο πλαίσιο αναφοράς d, q. 

Τα στοιχεία isd και isq αντιμετωπίζονται με τις αναφορές: isdref (η αναφορά ρεύματος) και isqref (η αναφορά ροπής). Σε αυτή τη στιγμή, η δομή ελέγχου έχει ένα πλεονέκτημα: μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο είτε συγχρόνων είτε ρευστοροϊδικών μηχανών απλώς αλλάζοντας την αναφορά ρεύματος και παρακολουθώντας τη θέση του ροτορικού ρεύματος. Στην περίπτωση PMSM, το ροτορικό ρεύμα είναι σταθερό, καθορισμένο από τα μαγνήτη, οπότε δεν χρειάζεται να δημιουργηθεί ένα. 

Συνεπώς, κατά τον έλεγχο ενός PMSM, το isdref θα πρέπει να είναι ίσο με μηδέν. Δεδομένου ότι οι ρευστοροϊδικοί κινητήρες χρειάζονται τη δημιουργία ροτορικού ρεύματος για να λειτουργήσουν, η αναφορά ρεύματος δεν πρέπει να είναι ίση με μηδέν. Αυτό εξαλείφει εύκολα ένα από τα μεγάλα μειονεκτήματα των "κλασικών" δομών ελέγχου: τη μεταφορτωσιμότητα από ασύγχρονες σε συγχρόνες οδηγίες. 

Τα αποτελέσματα των ελεγκτών PI είναι Vsdref και Vsqref. Εφαρμόζονται στο μπλοκ αντίστροφης μετατροπής Park. Τα αποτελέσματα αυτής της προβολής είναι Vsαref και Vsβref, τα οποία εισάγονται στο μπλοκ αλγορίθμου πλάτους παλμού χωρικού διανύσματος (SVPWM). Τα αποτελέσματα αυτού του μπλοκ παρέχουν σήματα που οδηγούν τον αντιστρόφων. Σε αυτά τα δύο, οι μετατροπές Park και αντίστροφης Park χρειάζονται τη θέση του ροτορικού ρεύματος. Έτσι, η θέση του ροτορικού ρεύματος είναι ουσιαστική για το FOC.

Η αξιολόγηση της θέσης του ροτορικού ρεύματος είναι διαφορετική αν θεωρήσουμε τον συγχρόνων ή ρευστοροϊδικόν κινητήρα. Στην περίπτωση των συγχρόνων κινητήρων, η ταχύτητα του ρότορα είναι ίση με τη ταχύτητα του ροτορικού ρεύματος. Συνεπώς, η θέση του ροτορικού ρεύματος καθορίζεται άμεσα από αισθητήρα θέσης ή από την ολοκλήρωση της ταχύτητας του ρότορα.

Στην περίπτωση των ασύγχρονων κινητήρων, η ταχύτητα του ρότορα δεν είναι ίση με τη ταχύτητα του ροτορικού ρεύματος λόγω της σλίπ. Συνεπώς, χρησιμοποιείται μια συγκεκριμένη μέθοδος για την αξιολόγηση της θέσης του ροτορικού ρεύματος (θ). Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί μοντέλο ρεύματος, το οποίο χρειάζεται δύο εξισώσεις του μοντέλου του ρευστοροϊδικού κινητήρα στο πλαίσιο αναφοράς d, q.

Απλοποιημένο Διάγραμμα Μπλοκ Άμεσου Ελέγχου Πεδίου

Ταξινόμηση του Ελέγχου Πεδίου

Ο έλεγχος πεδίου για την οδήγηση των ρευστοροϊδικών κινητήρων μπορεί να χωριστεί ευρέως σε δύο τύπους: Άμεσο Ελεγχος Πεδίου (DFOC) και Άμεσο Ελεγχος Πεδίου (IFOC). Στη στρατηγική DFOC, το διάνυσμα ροτορικού ρεύματος μετριέται είτε μέσω αισθητήρα ρεύματος που εγκαταστάται στο αέριο χάσμα ή μέσω των εξισώσεων τάσης, ξεκινώντας από τα παραμέτρους της ηλεκτρικής μηχανής.

Αλλά στην περίπτωση του IFOC, το διάνυσμα ροτορικού ρεύματος εκτιμάται με τις εξισώσεις ελέγχου πεδίου (μοντέλο ρεύματος) που απαιτούν μέτρηση ταχύτητας ρότορα. Ανάμεσα στις δύο στρατηγικές, ο IFOC είναι πιο συνηθισμένος, διότι σε κλειστό κύκλο μπορεί εύκολα να λειτουργήσει σε όλη την ταχύτητα από μ