Kaj je Field Oriented Control?

Kaj je usmerjeno krmiljenje po polju?

Definicija usmerjenega krmiljenja po polju

Usmerjeno krmiljenje po polju je napredna tehnika, ki upravlja asinhrone premične motorje z neodvisnim krmiljenjem vznemirja in magnetnega toka, podobno kot pri DC motorjih.

Delovanje usmerjenega krmiljenja po polju

Usmerjeno krmiljenje po polju sestoji iz krmiljenja tokov statorja, predstavljenih z vektorjem. To krmiljenje temelji na projekcijah, ki preoblikujejo sistem z tremi fazami, odvisnimi od časa in hitrosti, v dva koordinatna (d in q okvir) sistema, ki sta neodvisna od časa.

 Te transformacije in projekcije vodijo do strukture, podobne tisti za krmiljenje DC strojev. FOC stroji potrebujejo dve konstanti kot vhodni sklice: komponento vznemirja (poravnano s q koordinato) in komponento toka (poravnano s d koordinato).

Trokotne napetosti, tokovi in toki AC motorjev lahko analiziramo v smislu kompleksnih prostorskih vektorjev. Če vzamemo ia, ib, ic kot trenutne tokove v fazah statorja, potem je vektor toka statorja definiran naslednje:

Kjer so (a, b, c) osi trofaznega sistema. Ta prostorski vektor toka predstavlja trofazni sinusni sistem. Morali bi ga preoblikovati v dva časovno neodvisna koordinatna sistema. Ta transformacija se lahko razdeli na dva koraka:

(a, b, c) → (α, β) (Clarkeova transformacija), ki da izhode dveh koordinatnega časovno odvisnega sistema.

(α, β) → (d, q) (Parkova transformacija), ki da izhode dveh koordinatnega časovno neodvisnega sistema.

Projekcija (a, b, c) → (α, β) (Clarkeova transformacija) Trofazne količine, ali pa napetosti ali tokove, ki se spreminjajo v času vzdolž osi a, b in c, lahko matematično preoblikujemo v dvofazne napetosti ali tokove, ki se spreminjajo v času vzdolž osi α in β s sledečo transformacijsko matriko:

Če predpostavimo, da so osi a in α v enakem smeri, in β pravokoten na njih, imamo naslednji vektorski diagram:

Zgoraj navedena projekcija spremeni trofazni sistem v (α, β) dvostranski ortogonalni sistem, kot je navedeno spodaj:

Ti dve fazi (α, β) tokove pa še vedno odvisne so od časa in hitrosti. Projekcija (α, β) → (d, q) (Parkova transformacija) To je najpomembnejša transformacija v FOC. V resnici ta projekcija spremeni dve fazi fiksni ortogonalni sistem (α, β) v d, q vrteči referenčni sistem. Transformacijska matrika je podana spodaj:

Kjer je θ kot med vrtečim in fiksnim koordinatnim sistemom.

Če upoštevate d os poravnano s rotorjem toka, Slika 2 prikazuje odnos med dvema referenčnima okviroma za vektor toka:

Kjer je θ položaj rotorja toka. Komponenti vznemirja in toka vektorja toka določita naslednji enačbi:

Te komponente so odvisne od komponent vektorja toka (α, β) in položaja rotorja toka. Če poznamo točen položaj rotorja toka, potem lahko z zgornjimi enačbami lahko preprosto izračunamo komponenti d, q. V tem trenutku lahko neposredno krmilite vznemirje, ker so komponenta toka (isd) in komponenta vznemirja (isq) zdaj neodvisni.

Osnovni modul za usmerjeno krmiljenje po polju

Tok faze statorja je merjen. Ti meritvi tokov se podajo v blok Clarkeove transformacije. Izhodi te projekcije so označeni kot isα in isβ. Ti dve komponenti toka se vnesejo v blok Parkove transformacije, ki zagotavlja tok v d, q referenčnem okviru. 

Komponenti isd in isq se primerjata s sklici: isdref (sklic toka) in isqref (sklic vznemirja). V tem trenutku ima kontrolna struktura prednost: jo lahko uporabljate za krmiljenje sinhronnih ali indukcijskih strojev, tako da preprosto spremenite sklic toka in sledite položaju rotorja toka. V primeru PMSM je rotor toka fiksiran, določen z magneti, zato ni potrebno ustvariti enega. 

Zato, med krmiljenjem PMSM, mora biti isdref enak nič. Ker indukcijski motorji potrebujejo ustvarjanje rotor toka, da bi delovali, mora biti sklic toka različen od nič. To preprosto odpravi eden od glavnih pomanjkljivosti "klasičnih" kontrolnih struktur: prenosnost od asinhronih do sinhronih pogonov. 

Izhodi PI regulirnikov so Vsdref in Vsqref. Ti se uporabljajo v bloku obratne Parkove transformacije. Izhodi te projekcije so Vsαref in Vsβref, ki se podajo v algoritem prostorskega vektorskega impulzne širine modulacije (SVPWM). Izhodi tega bloka zagotavljajo signale, ki pogonijo inverzor. Tukaj potrebujeta Parkova in obratna Parkova transformacija položaj rotorja toka. Zato je položaj rotorja toka bistven za FOC.

Ocenjevanje položaja rotorja toka je različno, če upoštevamo sinhronni ali indukcijski motor. V primeru sinhronih motorjev je hitrost rotora enaka hitrosti rotorja toka. Položaj rotorja toka je neposredno določen z senzorjem položaja ali z integracijo hitrosti rotora.

V primeru asinhronih motorjev hitrost rotora ni enaka hitrosti rotorja toka zaradi kliza; zato se uporablja posebna metoda za ocenjevanje položaja rotorja toka (θ). Ta metoda uporablja model toka, ki potrebuje dve enačbi modela indukcijskega motorja v d, q vrtečem referenčnem okviru.

Poenostavljena shema neposrednega usmerjenega krmiljenja po polju

Razvrščanje usmerjenega krmiljenja po polju

FOC za pogon indukcijskega motorja se lahko široko razvršča na dva tipa: neposredno usmerjeno krmiljenje (DFOC) in posredno usmerjeno krmiljenje (IFOC). V strategiji DFOC je vektor rotor toka bodisi merit večino z senzorjem toka, nameščenim v zračni mehuri, ali z uporabo napetostnih enačb, ki začnejo z elektromehanskimi parametri stroja.

 V primeru IFOC pa je vektor rotor toka ocenjen s krmiljenjem po polju (model toka), ki zahteva merjenje hitrosti rotora. Med obema shemama je IFOC bolj pogosto uporabljan, ker v zaprti zanki lahko preprosto deluje v celotnem obsegu hitrosti od nič do visokih hitrosti s podaljševanjem toka.

Prednosti usmerjenega krmiljenja po polju

• Poboljšana odzivnost vznemirja.

• Krmiljenje vznemirja pri nizkih frekvencah in nizkih hitrostih.

• Dinamična točnost hitrosti.

• Zmanjšanje velikosti motorja, stroškov in porabe energije.

• Deležen operacije v štirih kvadrantih.

• Zmožnost kratkoročnega pretovarjanja.