چه کنترل میدان مغناطیسی است

چه چیزی کنترل میدان محور است؟

تعریف کنترل میدان محور

کنترل میدان محور یک تکنیک پیشرفته است که با کنترل مستقل گشتاور و جریان مغناطیسی، موتورهای القایی AC را مدیریت می‌کند، مشابه با موتورهای DC.

اصول کاری کنترل میدان محور

کنترل میدان محور شامل کنترل جریان‌های استاتوری است که با یک بردار نمایش داده می‌شوند. این کنترل بر اساس تبدیلاتی است که سیستم سه‌فازی وابسته به زمان و سرعت را به سیستم دو مختصات (d و q) ثابت زمانی تبدیل می‌کند.

 این تبدیلات و تصویرها منجر به یک ساختار مشابه با کنترل ماشین DC می‌شود. ماشین‌های FOC به دو ثابت به عنوان مرجع ورودی نیاز دارند: مولفه گشتاور (هم‌خط با مختصات q) و مولفه مغناطیسی (هم‌خط با d).

جهت‌های سه‌فازی ولتاژ، جریان و میدان مغناطیسی موتورهای AC می‌توانند به صورت بردارهای فضایی پیچیده تحلیل شوند. اگر ia، ib، ic را به عنوان جریان‌های لحظه‌ای در فازهای استاتور در نظر بگیریم، آنگاه بردار جریان استاتور به صورت زیر تعریف می‌شود:

که در آن، (a, b, c) محورهای سیستم سه‌فازی هستند.این بردار فضایی جریان سیستم سه‌فازی سینوسی را نمایش می‌دهد. این بردار باید به یک سیستم دو مختصات ثابت زمانی تبدیل شود. این تبدیل می‌تواند به دو مرحله تقسیم شود:

(a, b, c) → (α, β) (تبدیل کلارک)، که خروجی‌های یک سیستم دو مختصات متغیر زمانی می‌دهد.

(a, β) → (d, q) (تبدیل پارک)، که خروجی‌های یک سیستم دو مختصات ثابت زمانی می‌دهد.

(a, b, c) → (α, β) تصویر (تبدیل کلارک)مقدارهای سه‌فازی، چه ولتاژ یا جریان، که در زمان طبق محورهای a، b و c تغییر می‌کنند، می‌توانند به صورت ریاضی به ولتاژ یا جریان دو‌فازی تبدیل شوند که در زمان طبق محورهای α و β تغییر می‌کنند با استفاده از ماتریس تبدیل زیر:

با فرض اینکه محور a و محور α در همان جهت قرار دارند و β عمود بر آنها است، ما دیاگرام برداری زیر را داریم:

پروژکشن بالا سیستم سه‌فازی را به سیستم دو بعدی متعامد (α, β) تبدیل می‌کند:

اما این دو جریان (α, β) هنوز به زمان و سرعت وابسته هستند.(α, β) → (d.q) تصویر (تبدیل پارک)این مهم‌ترین تبدیل در FOC است. در واقع، این پروژکشن سیستم دو بعدی ثابت (α, β) را به سیستم مرجع متحرک (d, q) تبدیل می‌کند. ماتریس تبدیل به صورت زیر است:

که در آن، θ زاویه بین سیستم‌های مختصات متحرک و ثابت است.

اگر محور d را با میدان مغناطیسی روتور همسو در نظر بگیرید، شکل 2 رابطه بین دو سیستم مرجع برای بردار جریان را نشان می‌دهد:

که در آن، θ موقعیت میدان مغناطیسی روتور است. مولفه‌های گشتاور و مغناطیسی بردار جریان با معادلات زیر تعیین می‌شوند:

این مولفه‌ها به مولفه‌های (α, β) بردار جریان و موقعیت میدان مغناطیسی روتور بستگی دارند. اگر موقعیت دقیق میدان مغناطیسی روتور را بدانید، آنگاه با استفاده از معادله بالا، مولفه‌های d و q را می‌توان به راحتی محاسبه کرد. در این لحظه، گشتاور مستقیماً قابل کنترل است زیرا مولفه مغناطیسی (isd) و مولفه گشتاور (isq) اکنون مستقل هستند.

مدول اساسی برای کنترل میدان محور

جریان‌های فازهای استاتور اندازه‌گیری می‌شوند. این جریان‌های اندازه‌گیری‌شده به بلوک تبدیل کلارک وارد می‌شوند. خروجی‌های این پروژکشن isα و isβ نامیده می‌شوند. این دو مولفه جریان وارد بلوک تبدیل پارک می‌شوند که جریان را در مرجع d, q فراهم می‌کند. 

مولفه‌های isd و isq با مراجع مقایسه می‌شوند: isdref (مرجع مغناطیسی) و isqref (مرجع گشتاور). در این لحظه، ساختار کنترل یک مزیت دارد: می‌تواند برای کنترل یا ماشین‌های سنکرون یا القایی استفاده شود با تنها تغییر مرجع مغناطیسی و ردیابی موقعیت میدان مغناطیسی روتور. در صورت PMSM، میدان مغناطیسی روتور توسط مغناطیس‌ها تعیین شده و ثابت است بنابراین نیازی به ایجاد آن نیست. 

بنابراین، در حال کنترل یک PMSM، isdref باید برابر با صفر باشد. از آنجا که موتورهای القایی نیاز به ایجاد یک میدان مغناطیسی روتور برای عملکرد دارند، مرجع مغناطیسی نباید برابر با صفر باشد. این به راحتی یکی از ضعف‌های اصلی ساختارهای کنترل "کلاسیک" را حذف می‌کند: قابلیت انتقال از گیربکس‌های ناسنکرون به سنکرون. 

خروجی‌های کنترلرهای PI، Vsdref و Vsqref هستند. آنها به بلوک تبدیل معکوس پارک اعمال می‌شوند. خروجی‌های این پروژکشن Vsαref و Vsβref هستند که به الگوریتم پالس عرض مدوله شده برداری (SVPWM) وارد می‌شوند. خروجی‌های این بلوک سیگنال‌هایی را فراهم می‌کنند که مبدل را می‌رانند. در اینجا هر دو تبدیل پارک و معکوس پارک به موقعیت میدان مغناطیسی روتور نیاز دارند. بنابراین موقعیت میدان مغناطیسی روتور اساس FOC است.

ارزیابی موقعیت میدان مغناطیسی روتور در صورت در نظر گرفتن ماشین‌های سنکرون یا القایی متفاوت است.در صورت ماشین‌های سنکرون، سرعت روتور برابر با سرعت میدان مغناطیسی روتور است. سپس موقعیت میدان مغناطیسی روتور به طور مستقیم با حسگر موقعیت یا با ادغام سرعت روتور تعیین می‌شود.

در صورت ماشین‌های القایی، سرعت روتور با سرعت میدان مغناطیسی روتور برابر نیست به دلیل لغزش؛ بنابراین یک روش خاص برای ارزیابی موقعیت میدان مغناطیسی روتور (θ) استفاده می‌شود. این روش از مدل جریان استفاده می‌کند که به دو معادله مدل موتور القایی در مرجع مختصات d, q مورد نیاز است.

نمودار بلوک ساده‌شده FOC غیرمستقیم

طبقه‌بندی کنترل میدان محور

FOC برای موتور القایی می‌تواند به دو نوع اصلی تقسیم شود: FOC غیرمستقیم و مستقیم. در روش DFOC، بردار میدان مغناطیسی روتور اما با استفاده از حسگر میدان مغناطیسی در فاصله هوایی یا با استفاده از معادلات ولتاژ از پارامترهای ماشین الکتریکی اندازه‌گیری می‌شود.

 اما در صورت IFOC، بردار میدان مغناطیسی روتور با استفاده از معادلات کنترل میدان محور (مدل جریان) و با نیاز به اندازه‌گیری سرعت روتور تخمین زده می‌شود. در میان هر دو روش، IFOC بیشتر استفاده می‌شود زیرا در حالت حلقه بسته می‌تواند به راحتی در محدوده سرعت از صفر تا سرعت بالا با کاهش میدان عمل کند.

مزایای کنترل میدان محور

• پاسخ گشتاور بهتر.

• کنترل گشتاور در فرکانس‌های کم و سرعت کم.

• دقت سرعت پویا.

• کاهش اندازه موتور، هزینه و مصرف انرژی.

• عملکرد چهار چهارم.

• قابلیت بارگیری کوتاه‌مدت.