Wat is Field Oriented Control?

Wat is Field Oriented Control?

Field Oriented Control Gedefinieerd

Field oriented control is een geavanceerde techniek die AC-inductiemotoren beheert door onafhankelijk vermogen en magnetische flux te regelen, vergelijkbaar met DC-motoren.

Werking van Field Oriented Control

Field oriented control bestaat uit het regelen van de statorstromen die worden weergegeven door een vector. Dit regelmechanisme is gebaseerd op projecties die een driefasig systeem dat afhankelijk is van tijd en snelheid, transformeren naar een tweeassig (d en q frame) tijdsinvariant systeem.

 Deze transformaties en projecties leiden tot een structuur die vergelijkbaar is met die van het regelen van een DC-machine. FOC-machines hebben twee constanten nodig als ingangsreferenties: de krachtcomponent (uitgelijnd met de q-coördinaat) en de fluxcomponent (uitgelijnd met de d-coördinaat).

De driefase spanningen, stromen en fluxen van AC-motoren kunnen worden geanalyseerd in termen van complexe ruimtevectoren. Als we ia, ib, ic nemen als momentane stroom in de statorfasen, dan wordt de statorstroomvector als volgt gedefinieerd:

Waarbij (a, b, c) de assen van het driefasesysteem zijn. Deze stroomruimtevector vertegenwoordigt het driefase sinusvormige systeem. Het moet worden getransformeerd naar een tweeassig tijdsinvariant coördinatenstelsel. Deze transformatie kan worden verdeeld in twee stappen:

(a, b, c) → (α, β) (de Clarke-transformatie), wat uitvoer oplevert van een tweeassig tijdsvariant coördinatenstelsel.

(a, β) → (d, q) (de Park-transformatie), wat uitvoer oplevert van een tweeassig tijdsinvariant coördinatenstelsel.

De (a, b, c) → (α, β) Projectie (Clarke-transformatie)Driefase grootheden, ofwel spanningen of stromen, die in de tijd variëren langs de assen a, b en c, kunnen wiskundig worden getransformeerd naar tweefase spanningen of stromen, die in de tijd variëren langs de assen α en β, door de volgende transformatiematrix:

Onder de veronderstelling dat de as a en de as α dezelfde richting hebben en β orthogonaal aan hen is, hebben we de volgende vectordiagram:

De bovenstaande projectie wijzigt het driefasesysteem in het (α, β) twee dimensionale orthogonale systeem zoals hieronder vermeld:

Maar deze twee fase (α, β) stromen zijn nog steeds afhankelijk van tijd en snelheid. De (α, β) → (d.q) projectie (Park-transformatie) Dit is de belangrijkste transformatie in de FOC. Deze projectie wijzigt het tweeassig vast orthogonaal systeem (α, β) in een d, q roterend referentiestelsel. De transformatiematrix is hieronder gegeven:

Waarbij θ de hoek is tussen het roterende en vaste coördinatenstelsel.

Als u de d-as uitlijnt met de rotorflux, toont Figuur 2 de relatie van de twee referentiekaders voor de stroomvector:

Waarbij θ de positie van de rotorflux is. De kracht- en fluxcomponenten van de stroomvector worden bepaald door de volgende vergelijkingen:

Deze componenten zijn afhankelijk van de stroomvector (α, β) componenten en de positie van de rotorflux. Als u de nauwkeurige positie van de rotorflux kent, kunt u de d, q componenten eenvoudig berekenen. Op dit moment kan het vermogen direct worden geregeld omdat de fluxcomponent (isd) en de krachtcomponent (isq) nu onafhankelijk zijn.

Basismodule voor Field Oriented Control

Statorfasestromen worden gemeten. Deze gemeten stromen worden ingevoerd in de Clarke-transformatieblok. De uitvoer van deze projectie wordt genoemd isα en isβ. Deze twee componenten van de stroom gaan de Park-transformatieblok binnen, die de stroom in het d, q referentiekader levert. 

De isd en isq componenten worden vergeleken met de referenties: isdref (de fluxreferentie) en isqref (de krachtreferentie). Op dit moment heeft de regelstructuur een voordeel: het kan worden gebruikt om zowel synchrone als inductiemachines te regelen door eenvoudig de fluxreferentie te veranderen en de positie van de rotorflux te volgen. In het geval van PMSM is de rotorflux vast bepaald door de magneet, dus er is geen noodzaak om er een te creëren. 

Daarom, bij het regelen van een PMSM, zou isdref gelijk moeten zijn aan nul. Aangezien inductiemotoren een rotorfluxcreatie nodig hebben om te werken, moet de fluxreferentie niet gelijk zijn aan nul. Dit elimineert eenvoudig een van de belangrijkste tekortkomingen van de "klassieke" regelstructuren: de draagbaarheid van asynchrone naar synchrone aandrijvingen. 

De uitvoer van de PI-regelaars zijn Vsdref en Vsqref. Ze worden toegepast op het inverse Park-transformatieblok. De uitvoer van deze projectie zijn Vsαref en Vsβref, die worden ingevoerd in het blok van de ruimtevector pulse breedtemodulatie (SVPWM)-algoritme. De uitvoer van dit blok geeft signalen die de inverter bedienen. Hierbij zijn zowel de Park- als de inverse Park-transformaties de rotorfluxpositie nodig. Daarom is de rotorfluxpositie essentieel voor FOC.

De evaluatie van de rotorfluxpositie verschilt als we de synchrone of inductiemotor beschouwen. In het geval van synchrone motoren is de rotorsnelheid gelijk aan de rotorfluxsnelheid. Dan wordt de rotorfluxpositie rechtstreeks bepaald door een positie-sensor of door integratie van de rotorsnelheid.

In het geval van asynchrone motoren is de rotorsnelheid niet gelijk aan de rotorfluxsnelheid vanwege slip; daarom wordt een specifieke methode gebruikt om de rotorfluxpositie (θ) te evalueren. Deze methode maakt gebruik van een stroommodel, dat twee vergelijkingen van het inductiemodel in het d, q roterend referentiekader nodig heeft.

Vereenvoudigd Indirect FOC Blokdiagram

Classificatie van Field Oriented Control

FOC voor de inductiemotor-aandrijving kan in grote lijnen worden ingedeeld in twee typen: Indirect FOC en Direct FOC schema's. Bij DFOC-strategie wordt de rotorfluxvector ofwel gemeten middels een fluxsensor die in de luchtgaping is aangebracht, of door gebruik te maken van de spanningsvergelijkingen vanaf de elektrische machineparameters.

 Maar in het geval van IFOC wordt de rotorfluxvector geschat met behulp van de field oriented control-vergelijkingen (stroommodel) waarbij een rotorsnelheidsmeting nodig is. Van beide schema's wordt IFOC vaker gebruikt omdat het in geslotenlusmodus gemakkelijk kan werken over het hele snelheidsbereik, van nulsnelheid tot hoge snelheid met veldverzwakking.

Voordelen van Field Oriented Control

• Verbeterde krachttijdreactie.

• Krachtregeling bij lage frequenties en lage snelheid.

• Dynamische snelheidsnauwkeurigheid.

• Vermindering van de grootte van de motor, kosten en energieverbruik.

• Vierkwadrantbewerking.

• Korte-termijn overbelastingscapaciteit.