کنترل میدان مغناطیسی چیست؟

چیست کنترل میدان‌گرا؟

تعریف کنترل میدان‌گرا

کنترل میدان‌گرا یک تکنیک پیشرفته است که با کنترل مستقل گشتاور و جریان مغناطیسی، موتورهای القایی جریان متناوب را مدیریت می‌کند، مشابه با موتورهای مستقیم جریان.

اصول کاری کنترل میدان‌گرا

کنترل میدان‌گرا شامل کنترل جریان‌های استاتور که با یک بردار نشان داده می‌شوند. این کنترل بر اساس تصویرسازی‌ها است که یک سیستم سه‌فازی وابسته به زمان و سرعت را به یک سیستم دو مختصات (d و q) ثابت در زمان تبدیل می‌کند.

 این تبدیلات و تصویرسازی‌ها منجر به یک ساختار مشابه با کنترل موتورهای مستقیم جریان می‌شود. ماشین‌های FOC به دو ثابت به عنوان مرجع ورودی نیاز دارند: مؤلفه گشتاور (هم‌خط با مختصات q) و مؤلفه جریان مغناطیسی (هم‌خط با d).

ولتاژ‌ها، جریان‌ها و جریان‌های مغناطیسی موتورهای جریان متناوب 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 نشان می‌دهد. باید به یک سیستم دو مختصات ثابت در زمان تبدیل شود. این تبدیل می‌تواند به دو مرحله تقسیم شود:

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

(α, β) → (d, q) (تبدیل پارک)، که خروجی‌های یک سیستم دو مختصات ثابت در زمان را می‌دهد.

پروژکشن (a, b, c) → (α, β) (تبدیل کلارک) مقادیر سه‌فاز، چه ولتاژ یا جریان، که در طول محورهای a، b و c با زمان متغیر می‌شوند، می‌توانند به صورت ریاضی به ولتاژ یا جریان دو‌فازی تبدیل شوند که در طول محورهای α و β با زمان متغیر می‌شوند توسط ماتریس تبدیل زیر:

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

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) (تبدیل پارک) این مهم‌ترین تبدیل در FOC است. در واقع، این پروژکشن سیستم دو مختصات ثابت (α, β) را به سیستم مرجع چرخان d, q تبدیل می‌کند. ماتریس تبدیل به صورت زیر است:

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

اگر محور d را با جریان مغناطیسی روتور همسان خط کنید، شکل 2 رابطه بین دو چارچوب مرجع برای بردار جریان را نشان می‌دهد:

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

این مؤلفه‌ها به مؤلفه‌های بردار جریان (α, β) و موقعیت جریان مغناطیسی روتور بستگی دارند. اگر موقعیت دقیق جریان مغناطیسی روتور را بدانید، می‌توانید با استفاده از معادلات فوق، مؤلفه‌های d, q را به راحتی محاسبه کنید. در این لحظه، گشتاور می‌تواند مستقیماً کنترل شود زیرا مؤلفه جریان مغناطیسی (isd) و مؤلفه گشتاور (isq) اکنون مستقل هستند.

مدول اساسی کنترل میدان‌گرا

جریان‌های فازهای استاتور اندازه‌گیری می‌شوند. این جریان‌های اندازه‌گیری شده به بلوک تبدیل کلارک وارد می‌شوند. خروجی‌های این پروژکشن isα و isβ نامیده می‌شوند. این دو مؤلفه جریان وارد بلوک تبدیل پارک می‌شوند که جریان را در چارچوب مرجع d, q ارائه می‌دهد. 

مؤلفه‌های isd و isq با مراجع isdref (مرجع جریان مغناطیسی) و isqref (مرجع گشتاور) مقایسه می‌شوند. در این لحظه، ساختار کنترلی مزیتی دارد: می‌تواند برای کنترل یا ماشین‌های همزمان یا القایی استفاده شود با تنها تغییر مرجع جریان مغناطیسی و ردیابی موقعیت جریان مغناطیسی روتور. در صورت PMSM، جریان مغناطیسی روتور توسط مغناطیس‌ها تعیین شده و نیازی به ایجاد آن نیست. 

بنابراین، در حین کنترل PMSM، isdref باید برابر با صفر باشد. چون موتورهای القایی به ایجاد جریان مغناطیسی روتور برای عملکرد نیاز دارند، مرجع جریان مغناطیسی نباید برابر با صفر باشد. این به راحتی یکی از عیوب اصلی ساختارهای کنترل "کلاسیک" را حذف می‌کند: قابلیت انتقال از محرک‌های غیر همزمان به همزمان. 

خروجی‌های کنترل‌کننده‌های PI Vsdref و Vsqref هستند. آن‌ها به بلوک تبدیل پارک معکوس اعمال می‌شوند. خروجی‌های این پروژکشن Vsαref و Vsβref هستند که به الگوریتم مدولاسیون پالس بردار فضایی (SVPWM) وارد می‌شوند. خروجی‌های این بلوک سیگنال‌هایی را ارائه می‌دهند که مبدل را کنترل می‌کنند. در اینجا هر دو تبدیل پارک و پارک معکوس به موقعیت جریان مغناطیسی روتور نیاز دارند. بنابراین موقعیت جریان مغناطیسی روتور اساس FOC است.

ارزیابی موقعیت جریان مغناطیسی روتور متفاوت است اگر ماشین‌های همزمان یا القایی را در نظر بگیریم. در صورت ماشین‌های همزمان، سرعت روتور برابر با سرعت جریان مغناطیسی روتور است. سپس موقعیت جریان مغناطیسی روتور به طور مستقیم توسط سنسور موقعیت یا انتگرال‌گیری سرعت روتور تعیین می‌شود.

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

نمودار بلوک ساده‌شده FOC غیرمستقیم

طبقه‌بندی کنترل میدان‌گرا

FOC برای محرک موتور القایی می‌تواند به دو نوع اصلی تقسیم شود: FOC غیرمستقیم و FOC مستقیم. در استراتژی DFOC بردار جریان مغناطیسی روتور یا با استفاده از سنسور جریان مغناطیسی نصب شده در فضای هوایی یا با استفاده از معادلات ولتاژ از پارامترهای ماشین الکتریکی اندازه‌گیری می‌شود.

 اما در صورت IFOC، بردار جریان مغناطیسی روتور با استفاده از معادلات کنترل میدان‌گرا (مدل جریان) تخمین زده می‌شود که نیاز به اندازه‌گیری سرعت روتور دارد. بین هر دو روش، IFOC بیشتر مورد استفاده است زیرا در حالت حلقه بسته می‌تواند به راحتی در تمام محدوده سرعت از سرعت صفر تا سرعت بالا با ضعیف‌سازی میدان عمل کند.

مزایای کنترل میدان‌گرا

• پاسخ گشتاور بهبود یافته.

• کنترل گشتاور در فرکانس‌های کم و سرعت کم.

• دقت سرعت پویا.

• کاهش اندازه موتور، هزینه و مصرف انرژی.

• عملکرد چهارربعی.

• قابلیت بارگیری کوتاه‌مدت.