Ano ang Field Oriented Control?

Ano ang Field Oriented Control?

Inilalarawan ang Field Oriented Control

Ang field oriented control ay isang maalintabas na teknik na nagpapahayag ng AC induction motors sa pamamagitan ng independiyenteng pagkontrol ng torque at magnetic flux, katulad ng sa DC motors.

Pagsasagawa ng Prinsipyo ng Field Oriented Control

Ang field oriented control ay binubuo ng pagkontrol sa stator currents na kinakatawan ng isang vector. Ang kontrol na ito ay batay sa mga projection na nagbabago ng isang three phase time at speed dependent system sa isang two coordinate (d at q frame) time invariant system.

 Ang mga transformation at projection na ito ay nagbibigay ng isang istraktura na katulad ng kontrol ng DC machine. Kailangan ng FOC machines ng dalawang constant bilang input references: ang torque component (aligned sa q coordinate) at ang flux component (aligned sa d coordinate).

Ang tatlong-phase voltages, currents, at fluxes ng AC-motors ay maaaring mailarawan sa pamamagitan ng complex space vectors. Kung i-consider natin ang ia, ib, ic bilang instantaneous currents sa stator phases, ang stator current vector ay inilalarawan ng sumusunod:

Kung saan, (a, b, c) ang mga axis ng three phase system.Ang current space vector na ito ay kumakatawan sa three phase sinusoidal system. Kailangan itong i-transform sa isang two time invariant coordinate system. Ang transformation na ito ay maaaring hatiin sa dalawang hakbang:

(a, b, c) → (α, β) (ang Clarke transformation), na nagbibigay ng output ng two coordinate time variant system.

(a, β) → (d, q) (ang Park transformation), na nagbibigay ng output ng two coordinate time invariant system.

Ang (a, b, c) → (α, β) Projection (Clarke transformation)Mga three-phase quantities, yaon man ang voltages o currents, na nagbabago sa oras sa mga axis a, b, at c, maaaring mathematically i-transform sa two-phase voltages o currents, na nagbabago sa oras sa mga axis α at β gamit ang sumusunod na transformation matrix:

Assuming na ang axis a at ang axis α ay nasa parehong direksyon at β ay orthogonal sa kanila, meron tayong sumusunod na vector diagram:

Ang nabanggit na projection ay nagmamodify ng three phase system sa (α, β) two dimension orthogonal system bilang inilalarawan sa ibaba:

Pero ang dalawang phase (α, β) currents ay depende pa rin sa oras at speed.Ang (α, β) → (d.q) projection (Park transformation)Ito ang pinakamahalagang transformation sa FOC. Sa katunayan, ang projection na ito ay nagmamodify ng two phase fixed orthogonal system (α, β) sa d, q rotating reference system. Ang transformation matrix ay inilalarawan sa ibaba:

Kung saan, θ ang angle sa pagitan ng rotating at fixed coordinate system.

Kung i-consider ninyo ang d axis aligned sa rotor flux, ang Figure 2 ay nagpapakita ng relasyon mula sa dalawang reference frames para sa current vector:

Kung saan, θ ang rotor flux position. Ang torque at flux components ng current vector ay matutukoy sa pamamagitan ng sumusunod na equations:

Ang mga components na ito ay depende sa current vector (α, β) components at sa rotor flux position. Kung alam ninyo ang accurate rotor flux position, ang d, q component ay maaaring madali na makalkula. Sa kasalukuyang instant, ang torque ay maaaring direktang macontrol dahil ang flux component (isd) at torque component (isq) ay independent na ngayon.

Basic Module para sa Field Oriented Control

Nasu-survey ang stator phase currents. Ang mga measured na currents na ito ay ipinasok sa Clarke transformation block. Ang outputs ng projection na ito ay tinatawag na isα at isβ. Ang dalawang components ng current na ito ay pumasok sa Park transformation block na nagbibigay ng current sa d, q reference frame. 

Ang isd at isq components ay ikinalaban sa references: isdref (ang flux reference) at isqref (ang torque reference). Sa kasalukuyang instant, ang control structure ay may advantage: ito ay maaaring gamitin upang kontrolin ang synchronous o induction machines sa pamamagitan lamang ng pagbabago ng flux reference at tracking rotor flux position. Sa kaso ng PMSM, ang rotor flux ay fixed na determined ng magnets kaya walang kailangan na lumikha ng isa. 

Dahil dito, habang kontrolin ang PMSM, ang isdref ay dapat zero. Dahil ang induction motors ay nangangailangan ng rotor flux creation upang makapag-operate, ang flux reference ay hindi dapat zero. Ito ay madaling natanggal ang isa sa mga pangunahing kamalian ng "classic" control structures: ang portability mula asynchronous patungo sa synchronous drives. 

Ang outputs ng PI controllers ay Vsdref at Vsqref. Ito ay ipinapaloob sa inverse Park transformation block. Ang outputs ng projection na ito ay Vsαref at Vsβref na ipinapaloob sa space vector pulse width modulation (SVPWM) algorithm block. Ang outputs ng block na ito ay nagbibigay ng signals na nag-drive sa inverter. Dito, ang Parehong Park at inverse Park transformations ay nangangailangan ng rotor flux position. Kaya ang rotor flux position ay essence ng FOC.

Ang evaluation ng rotor flux position ay iba kung i-consider natin ang synchronous o induction motor.Sa kaso ng synchronous motor(s), ang rotor speed ay equal sa rotor flux speed. Kaya ang rotor flux position ay direktang matutukoy sa pamamagitan ng position sensor o sa pamamagitan ng integration ng rotor speed.

Sa kaso ng asynchronous motor(s), ang rotor speed ay hindi equal sa rotor flux speed dahil sa slip; kaya ang partikular na method ay ginagamit upang matukoy ang rotor flux position (θ). Ang method na ito ay gumagamit ng current model, na nangangailangan ng dalawang equations ng induction motor model sa d,q rotating reference frame.

Simplified Indirect FOC Block Diagram

Classification ng Field Oriented Control

Ang FOC para sa induction motor drive ay maaaring higit na classified sa dalawang uri: Indirect FOC at Direct FOC schemes. Sa DFOC strategy, ang rotor flux vector ay maaaring sukatin gamit ang flux sensor na mounted sa air-gap o sa pamamagitan ng voltage equations mula sa electrical machine parameters.

 Ngunit sa kaso ng IFOC, ang rotor flux vector ay estimated gamit ang field oriented control equations (current model) na nangangailangan ng rotor speed measurement. Sa parehong scheme, ang IFOC ay mas karaniwang ginagamit dahil sa closed-loop mode, ito ay maaaring madali na operasyon sa buong speed range mula zero speed hanggang high-speed field-weakening.

Mga Advantages ng Field Oriented Control

• Improved torque response.

• Torque control sa low frequencies at low speed.

• Dynamic speed accuracy.

• Reduction sa laki ng motor, cost, at power consumption.

• Four quadrant operation.

• Short-term overload capability.