Cosa è il Field Oriented Control?

Cos'è il Controllo Orientato al Campo?

Definizione del Controllo Orientato al Campo

Il controllo orientato al campo è una tecnica sofisticata che gestisce i motori asincroni a corrente alternata controllando indipendentemente la coppia e il flusso magnetico, simile ai motori a corrente continua.

Principio di Funzionamento del Controllo Orientato al Campo

Il controllo orientato al campo consiste nel controllare le correnti dello statore rappresentate da un vettore. Questo controllo si basa su proiezioni che trasformano un sistema dipendente dal tempo e dalla velocità in tre fasi in un sistema invariante nel tempo con due coordinate (quadro d e q).

Queste trasformazioni e proiezioni portano a una struttura simile a quella del controllo di una macchina a corrente continua. Le macchine FOC richiedono due costanti come riferimenti di ingresso: la componente di coppia (allineata con la coordinata q) e la componente di flusso (allineata con la coordinata d).

Le tensioni, le correnti e i flussi trifase dei motori a corrente alternata possono essere analizzati in termini di vettori spaziali complessi. Se prendiamo ia, ib, ic come correnti istantanee nelle fasi dello statore, allora il vettore di corrente dello statore è definito come segue:

Dove, (a, b, c) sono gli assi del sistema trifase. Questo vettore spaziale di corrente rappresenta il sistema sinusoidale trifase. Deve essere trasformato in un sistema di coordinate invariante nel tempo. Questa trasformazione può essere divisa in due passaggi:

(a, b, c) → (α, β) (la trasformazione di Clarke), che fornisce uscite di un sistema bidimensionale variabile nel tempo.

(a, β) → (d, q) (la trasformazione di Park), che fornisce uscite di un sistema bidimensionale invariante nel tempo.

La Proiezione (a, b, c) → (α, β) (trasformazione di Clarke) Le grandezze trifase, siano esse tensioni o correnti, variabili nel tempo lungo gli assi a, b e c, possono essere matematicamente trasformate in tensioni o correnti bifase, variabili nel tempo lungo gli assi α e β, mediante la seguente matrice di trasformazione:

Assumendo che l'asse a e l'asse α siano nella stessa direzione e β sia ortogonale a essi, abbiamo il seguente diagramma vettoriale:

La proiezione sopra menzionata modifica il sistema trifase nel sistema bidimensionale ortogonale (α, β) come segue:

Ma queste due correnti (α, β) dipendono ancora dal tempo e dalla velocità. La proiezione (α, β) → (d, q) (trasformazione di Park) Questa è la trasformazione più importante nel FOC. In effetti, questa proiezione modifica il sistema bidimensionale fisso ortogonale (α, β) in un sistema di riferimento rotante d, q. La matrice di trasformazione è la seguente:

Dove, θ è l'angolo tra il sistema di coordinate rotante e fisso.

Se si considera l'asse d allineato con il flusso del rotore, la Figura 2 mostra la relazione tra i due sistemi di riferimento per il vettore di corrente:

Dove, θ è la posizione del flusso del rotore. Le componenti di coppia e di flusso del vettore di corrente sono determinate dalle seguenti equazioni:

Queste componenti dipendono dalle componenti del vettore di corrente (α, β) e dalla posizione del flusso del rotore. Se si conosce la posizione accurata del flusso del rotore, allora, tramite l'equazione sopra, le componenti d, q possono essere facilmente calcolate. In questo istante, la coppia può essere controllata direttamente perché la componente di flusso (isd) e la componente di coppia (isq) sono ora indipendenti.

Modulo di Base per il Controllo Orientato al Campo

Le correnti delle fasi dello statore vengono misurate. Queste correnti misurate vengono alimentate nel blocco di trasformazione di Clarke. Le uscite di questa proiezione sono denominate isα e isβ. Queste due componenti della corrente entrano nel blocco di trasformazione di Park che fornisce la corrente nel quadro di riferimento d, q. 

Le componenti isd e isq vengono confrontate con i riferimenti: isdref (il riferimento di flusso) e isqref (il riferimento di coppia). In questo istante, la struttura di controllo ha un vantaggio: può essere utilizzata per controllare sia macchine sincrone che asincrone semplicemente cambiando il riferimento di flusso e tracciando la posizione del flusso del rotore. Nel caso di PMSM, il flusso del rotore è fisso determinato dai magneti, quindi non c'è bisogno di crearne uno. 

Quindi, mentre si controlla un PMSM, isdref dovrebbe essere uguale a zero. Poiché i motori asincroni necessitano di una creazione del flusso del rotore per operare, il riferimento di flusso non deve essere uguale a zero. Questo elimina facilmente uno dei principali svantaggi delle strutture di controllo "classiche": la portabilità dai drives asincroni a quelli sincroni. 

Le uscite dei controller PI sono Vsdref e Vsqref. Vengono applicati al blocco di trasformazione inversa di Park. Le uscite di questa proiezione sono Vsαref e Vsβref che vengono alimentate al blocco dell'algoritmo di modulazione di larghezza di impulso a vettore spaziale (SVPWM). Le uscite di questo blocco forniscono segnali che pilotano l'inverter. Qui sia la trasformazione di Park che quella inversa richiedono la posizione del flusso del rotore. Pertanto, la posizione del flusso del rotore è l'essenza del FOC.

La valutazione della posizione del flusso del rotore è diversa se si considera il motore sincrono o asincrono. Nel caso dei motori sincroni, la velocità del rotore è uguale alla velocità del flusso del rotore. Quindi, la posizione del flusso del rotore è determinata direttamente dal sensore di posizione o dall'integrazione della velocità del rotore.

Nel caso dei motori asincroni, la velocità del rotore non è uguale alla velocità del flusso del rotore a causa dello scivolamento; pertanto viene utilizzato un metodo particolare per valutare la posizione del flusso del rotore (θ). Questo metodo utilizza un modello di corrente, che richiede due equazioni del modello del motore asincrono nel quadro di riferimento rotante d, q.

Diagramma Semplificato del Controllo Orientato al Campo Indiretto

Classificazione del Controllo Orientato al Campo

Il FOC per l'azionamento del motore asincrono può essere ampiamente classificato in due tipi: schemi FOC indiretti e diretti. Nella strategia DFOC, il vettore di flusso del rotore viene misurato mediante un sensore di flusso montato nell'interstizio o utilizzando le equazioni di tensione partendo dai parametri della macchina elettrica.

Ma nel caso di IFOC, il vettore di flusso del rotore viene stimato utilizzando le equazioni del controllo orientato al campo (modello di corrente) richiedendo una misurazione della velocità del rotore. Tra entrambi gli schemi, l'IFOC è più comunemente utilizzato perché in modalità a ciclo chiuso può operare facilmente in tutto l'intervallo di velocità, dalla velocità zero alle alte velocità di indebolimento del campo.

Vantaggi del Controllo Orientato al Campo

• Risposta migliorata della coppia.

• Controllo della coppia a bassa frequenza e bassa velocità.

• Precisione dinamica della velocità.

• Riduzione delle dimensioni del motore, del costo e del consumo di energia.

• Operazione in quattro quadranti.

• Capacità di sovraccarico a breve termine.