Czym jest kontrola zorientowana na pole?

Co to jest sterowanie zorientowane na pole?

Definicja sterowania zorientowanego na pole

Sterowanie zorientowane na pole to zaawansowana technika zarządzania silnikami indukcyjnymi prądu przemiennego, polegająca na niezależnym sterowaniu momentem obrotowym i strumieniem magnetycznym, podobnie jak w przypadku silników prądu stałego.

Zasada działania sterowania zorientowanego na pole

Sterowanie zorientowane na pole polega na sterowaniu prądami statora reprezentowanymi przez wektor. To sterowanie opiera się na projekcjach, które przekształcają trójfazowy system zależny od czasu i prędkości w dwuwspółrzędny (ramki d i q) system niezmienny w czasie.

Te przekształcenia i projekcje prowadzą do struktury podobnej do sterowania maszyną prądu stałego. Maszyny FOC wymagają dwóch stałych jako referencyjnych wejść: składowej momentu (zgodnej z ramką q) i składowej strumienia (zgodnej z ramką d).

Trójfazowe napięcia, prądy i strumienie magnetyczne silników prądu przemiennego mogą być analizowane w kategoriach zespolonych wektorów przestrzennych. Jeśli przyjmiemy, że ia, ib, ic to natychmiastowe prądy w fazach statora, to wektor prądu statora definiuje się następująco:

Gdzie (a, b, c) to osie trójfazowego systemu. Ten wektor prądu przestrzennego reprezentuje trójfazowy system sinusoidalny. Musi zostać przekształcony w dwuwspółrzędnym systemie niezmiennym w czasie. To przekształcenie można podzielić na dwa etapy:

(a, b, c) → (α, β) (przekształcenie Clarke'a), które daje wyjścia dwuwspółrzędnego systemu zależnego od czasu.

(a, β) → (d, q) (przekształcenie Parka), które daje wyjścia dwuwspółrzędnego systemu niezmiennego w czasie.

Przekształcenie (a, b, c) → (α, β) (przekształcenie Clarke'a). Trójfazowe wielkości, takie jak napięcia lub prądy, zmieniające się w czasie wzdłuż osi a, b i c, mogą być matematycznie przekształcone w dwufazowe napięcia lub prądy, zmieniające się w czasie wzdłuż osi α i β, za pomocą następującej macierzy przekształcenia:

Zakładając, że oś a i oś α są w tym samym kierunku, a β jest im prostopadła, mamy następujący diagram wektorowy:

Powyższe przekształcenie modyfikuje trójfazowy system w dwuwymiarowy ortogonalny system (α, β) według poniższego opisu:

Ale te dwufazowe (α, β) prądy nadal zależą od czasu i prędkości. Przekształcenie (α, β) → (d, q) (przekształcenie Parka). Jest to najważniejsze przekształcenie w FOC. W rzeczywistości, to przekształcenie modyfikuje dwufazowy stały ortogonalny system (α, β) w obracający się układ odniesienia d, q. Macierz przekształcenia przedstawiona jest poniżej:

Gdzie, θ to kąt między obracającym się a stałem układem współrzędnych.

Jeśli weźmiemy pod uwagę oś d zorientowaną zgodnie ze strumieniem wirnika, Rysunek 2 pokazuje relację między dwoma układami odniesienia dla wektora prądu:

Gdzie, θ to położenie strumienia wirnika. Składowe momentu i strumienia wektora prądu są określone przez następujące równania:

Te składowe zależą od składowych wektora prądu (α, β) i położenia strumienia wirnika. Jeśli znamy dokładne położenie strumienia wirnika, to za powyższym równaniem składowe d, q mogą być łatwo obliczone. W tym momencie moment może być bezpośrednio kontrolowany, ponieważ składowa strumienia (isd) i składowa momentu (isq) są teraz niezależne.

Podstawowy moduł sterowania zorientowanego na pole

Mierzone są prądy faz statora. Te zmierzone prądy są wprowadzane do bloku przekształcenia Clarke'a. Wyjścia tego przekształcenia noszą nazwy isα i isβ. Te dwie składowe prądu wchodzą do bloku przekształcenia Parka, który dostarcza prąd w ramce odniesienia d, q. 

Składowe isd i isq są porównywane z referencjami: isdref (referencja strumienia) i isqref (referencja momentu). W tym momencie struktura sterująca ma przewagę: może być użyta do sterowania zarówno maszynami synchronicznymi, jak i indukcyjnymi, poprzez prostą zmianę referencji strumienia i śledzenie położenia strumienia wirnika. W przypadku PMSM strumień wirnika jest ustalony przez magnesy, więc nie ma potrzeby go tworzyć. 

W związku z tym, podczas sterowania PMSM, isdref powinno wynosić zero. Ponieważ silniki indukcyjne wymagają tworzenia strumienia wirnika, aby działać, referencja strumienia nie może wynosić zero. To łatwo eliminuje jedno z głównych ograniczeń "klasycznych" struktur sterujących: przenośność z napędów asynchronicznych na synchroniczne. 

Wyjścia regulatorów PI to Vsdref i Vsqref. Są one zastosowane do bloku odwrotnego przekształcenia Parka. Wyjścia tego przekształcenia, Vsαref i Vsβref, są wprowadzane do bloku algorytmu modulacji szerokości impulsów wektorowych (SVPWM). Wyjścia tego bloku dostarczają sygnałów sterujących inwerterem. Tutaj zarówno przekształcenie Parka, jak i odwrotne przekształcenie Parka wymagają położenia strumienia wirnika. Zatem położenie strumienia wirnika jest istotą FOC.

Ocena położenia strumienia wirnika różni się, jeśli rozważamy silnik synchroniczny lub indukcyjny. W przypadku silników synchronicznych, prędkość wirnika jest równa prędkości strumienia wirnika. Wtedy położenie strumienia wirnika jest bezpośrednio określane przez czujnik pozycji lub poprzez całkowanie prędkości wirnika.

W przypadku silników asynchronicznych, prędkość wirnika nie jest równa prędkości strumienia wirnika z powodu poślizgu; dlatego stosuje się specjalną metodę oceny położenia strumienia wirnika (θ). Ta metoda wykorzystuje model prądu, który wymaga dwóch równań modelu silnika indukcyjnego w obracającej się ramce odniesienia d, q.

Uproszczony schemat blokowy pośredniego sterowania zorientowanego na pole

Klasyfikacja sterowania zorientowanego na pole

FOC dla napędu silnika indukcyjnego można szeroko podzielić na dwa typy: pośrednie sterowanie zorientowane na pole (IFO