Šta je Field Oriented Control?

Šta je upravljanje usmereno na polje?

Definicija upravljanja usmerenog na polje

Upravljanje usmereno na polje je sofisticirana tehnika koja upravlja AC indukcijonskim motorima nezavisnim kontrolisanjem momenta i magnetnog toka, slično DC motorima.

Princip rada upravljanja usmerenog na polje

Upravljanje usmereno na polje uključuje kontrolu strujnih tokova statora predstavljenih vektorom. Ova kontrola se zasniva na projekcijama koje transformišu trofazni sistem zavistan od vremena i brzine u dvokoordinatni (d i q okvir) sistem koji nije zavistan od vremena.

 Ove transformacije i projekcije dovode do strukture slične onoj za kontrolu DC mašina. Mašinama sa FOC potrebne su dve konstante kao ulazne reference: komponenta momenta (poravnata sa q koordinatom) i komponenta toka (poravnata sa d koordinatom).

Trofazne napone, struje i toke AC motora mogu se analizirati u smislu kompleksnih prostornih vektora. Ako uzimamo ia, ib, ic kao trenutne struje u fazama statora, tada se vektor struje statora definiše ovako:

Gde su (a, b, c) ose trofaznog sistema. Ovaj prostorni vektor struje predstavlja trofazni sinusni sistem. Potrebno ga je transformisati u dvokoordinatni sistem koji nije zavistan od vremena. Ova transformacija se može podeliti u dva koraka:

(a, b, c) → (α, β) (Clarkeova transformacija), koja daje izlaze dvokoordinatnog sistema zavisanog od vremena.

(a, β) → (d, q) (Parkova transformacija), koja daje izlaze dvokoordinatnog sistema koji nije zavistan od vremena.

(a, b, c) → (α, β) Projekcija (Clarkeova transformacija) Trofazne količine, bilo da su naponi ili struje, varira u vremenu duž osa a, b i c, mogu se matematički transformisati u dvofazne naponove ili struje, varira u vremenu duž osa α i β sledećom transformacionom matricom:

Pretpostavljajući da su osa a i osa α u istom pravcu, a β ortogonalna im, imamo sledeći vektorski dijagram:

Navedena projekcija modifikuje trofazni sistem u (α, β) dvodimenzioni ortogonalni sistem kako sledi:

Ali ove dvofazne (α, β) struje još zavise od vremena i brzine. (α, β) → (d.q) projekcija (Parkova transformacija) Ovo je najvažnija transformacija u FOC. U stvari, ova projekcija modifikuje dvofazni fiksni ortogonalni sistem (α, β) u d, q rotirajući referentni sistem. Transformaciona matrica data je ispod:

Gde je θ ugao između rotirajućeg i fiksnog koordinatnog sistema.

Ako uzmete d osu poravnatu sa rotor fluxom, Slika 2 pokazuje odnos između dva referentna okvira za vektor struje:

Gde je θ pozicija rotor fluxa. Komponente momenta i toka vektora struje određuju se sledećim jednačinama:

Ove komponente zavise od komponenti vektora struje (α, β) i pozicije rotor fluxa. Ako znate tačnu poziciju rotor fluxa, onda se d, q komponente lako mogu izračunati. U tom trenutku, moment se može direktno kontrolisati jer su komponenta toka (isd) i komponenta momenta (isq) sada nezavisne.

Osnovni modul za upravljanje usmereno na polje

Mere se struje u fazama statora. Ove merene struje se unose u blok Clarkeove transformacije. Izlazi ove projekcije nazivaju se isα i isβ. Ove dve komponente struje ulaze u blok Parkove transformacije koji pruža struje u d, q referentnom okviru. 

Komponente isd i isq se upoređuju sa referencama: isdref (referenca toka) i isqref (referenca momenta). U tom trenutku, struktura kontrole ima prednost: može se koristiti za kontrolu sinhronih ili indukcijonskih mašina, samo menjajući referencu toka i praćenjem pozicije rotor fluxa. U slučaju PMSM rotor flux je fiksiran određen magnetskim materijalima, tako da nema potrebe da se kreira. 

Stoga, dok se kontrolise PMSM, isdref bi trebalo da bude jednak nuli. Kako indukcijonske motive zahtevaju kreiranje rotor fluxa kako bi radile, referenca toka ne sme biti jednaka nuli. Ovo lako eliminira jednu od glavnih nedostataka "klasičnih" struktura kontrole: prenosivost sa asinhronih na sinhrona pogona. 

Izlazi PI kontrolera su Vsdref i Vsqref. Oni se primenjuju na inverzni blok Parkove transformacije. Izlazi ove projekcije su Vsαref i Vsβref koji se unose u algoritam prostorne vektorske širine impulsa (SVPWM). Izlazi ovog bloka pružaju signale koji upravljaju inverterom. Ovdje i Parkova i inverzna Parkova transformacija zahtevaju poziciju rotor fluxa. Stoga je pozicija rotor fluxa esencijalna za FOC.

Procena pozicije rotor fluxa je različita ako se uzme u obzir sinhroni ili indukcijonski motor. U slučaju sinhronih motora, brzina rotora je jednaka brzini rotor fluxa. Tada se pozicija rotor fluxa direktno određuje senzorom pozicije ili integracijom brzine rotora.

U slučaju asinhronih motora, brzina rotora nije jednaka brzini rotor fluxa zbog kliza, stoga se koristi posebna metoda za procenu pozicije rotor fluxa (θ). Ova metoda koristi model struje, koji zahteva dve jednačine modela indukcijonskog motora u d, q rotirajućem referentnom okviru.

Pojednostavljeni dijagram bloka indirektnog FOC

Klasifikacija upravljanja usmerenog na polje

FOC za pogon indukcijonskog motora može se široko klasificirati u dva tipa: Indirektan FOC i Direktan FOC sheme. U DFOC strategiji vektor rotor fluxa se mjeri ili pomoću senzora fluxa montiranog u vazdušni prazninu ili korišćenjem jednačina naponskih parametara električne mašine.

 Ali u slučaju IFOC vektor rotor fluxa se procenjuje korišćenjem jednačina upravljanja usmerenog na polje (model struje) koji zahtevaju merenje brzine rotora. Među oba shema, IFOC je češće korišćen jer u zatvorenom krugu može lako raditi kroz celu brzinu, od nulte brzine do visokih brzina sa oslabljenjem polja.

Prednosti upravljanja usmerenog na polje

• Poboljšana reakcija momenata.

• Kontrola momenata na niskim frekvencijama i niskim brzinama.

• Dinamička preciznost brzine.

• Smanjenje veličine motora, troškova i potrošnje energije.

• Operacija u četiri kvadranta.

• Kapacitet kratkotrajne preopterećenosti.