Vad är fältorienterad reglering?

Vad är fältdirektstyrning?

Definition av fältdirektstyrning

Fältdirektstyrning är en sofistikerad teknik som hanterar AC-induktionsmotorer genom att oberoende styra dragkraft och magnetisk flöde, liknande DC-motorer.

Arbetsprincip för fältdirektstyrning

Fältdirektstyrningen består av att styra statorströmmarna som representeras av en vektor. Detta styrning bygger på projektioner som omvandlar ett tredje-fas system beroende av tid och hastighet till ett två-koordinat (d och q ramar) tidsinvariant system.

 Dessa transformationer och projektioner leder till en struktur liknande den hos en DC-maskinstyrning. FOC-maskiner behöver två konstanter som indata-referenser: dragkraftskomponenten (utplacerad längs q-koordinaten) och flödeskopponenten (utplacerad längs d-koordinaten).

De trefasiga spänningarna, strömmarna och flödena i AC-motorer kan analyseras i termer av komplexa rumsvektorer. Om vi tar ia, ib, ic som momentana strömmar i statorfaserna, då definieras statorströmsvektorn som följer:

Där (a, b, c) är axlarna i det trefasiga systemet. Denna ström rumsvektor representerar det trefasiga sinusformade systemet. Den måste omvandlas till ett tvåtidsinvariant koordinatsystem. Denna transformation kan delas in i två steg:

(a, b, c) → (α, β) (Clarke-transformation), vilket ger utgångar av ett tvåkoordinattidsvarierande system.

(α, β) → (d, q) (Park-transformation), vilket ger utgångar av ett tvåkoordinattidsinvariant system.

(a, b, c) → (α, β) Projektion (Clarke-transformation). Trefasiga mängder antingen spänningar eller strömmar, varierande i tid längs axlarna a, b och c, kan matematiskt transformeras till tvåfasiga spänningar eller strömmar, varierande i tid längs axlarna α och β genom följande transformationsmatris:

Med antagandet att axeln a och axeln α är längs samma riktning och β är ortogonal till dem, har vi följande vektordiagram:

Ovanstående projektion modifierar det trefasiga systemet till det (α, β) tvådimensionella ortogonala systemet enligt nedan:

Men dessa två fas (α, β) strömmar beror fortfarande på tid och hastighet. (α, β) → (d.q) projektion (Park-transformation). Detta är den viktigaste transformationen i FOC. I själva verket modifierar denna projektion det tvåfasiga fast ortogonala systemet (α, β) till d, q roterande referenssystem. Transformationsmatrisen ges nedan:

Där θ är vinkeln mellan det roterande och det fasta koordinatsystemet.

Om du betraktar d-axeln utplacerad med rotorflödet, visar figur 2 relationen från de två referensramarna för strömsvektorn:

Där θ är rotorflödespositionen. Dragkrafts- och flödeskopponenterna av strömsvektorn bestäms av följande ekvationer:

Dessa komponenter beror på strömsvektorns (α, β) komponenter och på rotorflödespositionen. Om du känner till den exakta rotorflödespositionen kan d, q-komponenterna enkelt beräknas enligt ovanstående ekvation. I detta ögonblick kan dragkraften direkt kontrolleras eftersom flödeskopponenten (isd) och dragkraftskomponenten (isq) nu är oberoende.

Grundläggande modul för fältdirektstyrning

Statorfasströmmar mäts. Dessa mätta strömmar matas in i Clarke-transformationsblocket. Utgångarna från denna projektion benämns isα och isβ. Dessa två komponenter av strömmen går in i Park-transformationsblocket som levererar strömmen i d, q-referensramen. 

Isd- och isq-komponenterna jämförs med referenserna: isdref (flödesreferensen) och isqref (dragkraftsreferensen). I detta ögonblick har styrstrukturen en fördel: den kan användas för att styra antingen synkrona eller induktionsmaskiner genom att enkelt ändra flödesreferensen och spåra rotorflödespositionen. I fallet med PMSM är rotorflödet fastställt av magneter så det finns ingen anledning att skapa ett. 

Därför bör isdref vara lika med noll vid styrning av en PMSM. Eftersom induktionsmotorer behöver en rotorflödesgeneration för att fungera, får inte flödesreferensen vara lika med noll. Detta eliminerar enkelt en av de stora bristerna i "klassiska" styrstrukturer: överförbarheten från asynkrona till synkrona drivmedel. 

Utgångarna från PI-regulatorerna är Vsdref och Vsqref. De appliceras till invers-Park-transformationsblocket. Utgångarna från denna projektion, Vsαref och Vsβref, matas in i rymdsvektorimpulssviddbeläggningsalgoritmblocket (SVPWM). Utgångarna från detta block ger signaler som driver omvandlaren. Här behöver både Park- och invers-Park-transformationerna rotorflödespositionen. Så rotorflödespositionen är kärnan i FOC.

Bedömningen av rotorflödespositionen skiljer sig åt beroende på om man betraktar synkrona eller induktionsmotorer. I fallet med synkrona motorer är rotorsnabbheten lika med rotorflödessnabbheten. Då bestäms rotorflödespositionen direkt av positionsensor eller genom integration av rotorsnabbhet.

I fallet med asynkrona motorer är rotorsnabbheten inte lika med rotorflödessnabbheten på grund av glidning; därför används en särskild metod för att bedöma rotorflödespositionen (θ). Denna metod använder strömsmodell, vilket kräver två ekvationer av induktionsmotormodellen i d, q-roterande referensram.

Förenklad indirekt FOC-blockdiagram

Klassificering av fältdirektstyrning

FOC för induktionsmotordrivning kan bredt klassificeras i två typer: Indirekt FOC och Direkt FOC-scheman. I DFOC-strategin mäts rotorflödesvektorn antingen med hjälp av en flödesensor monterad i luftgapet eller genom att använda spännings ekvationer startande från elektriska maskinparametrar.

Men i fallet med IFOC estimeras rotorflödesvektorn med hjälp av fältdirektstyrningsekvationer (strömsmodell) som kräver en rotorsnabbhetsmätning. Bland båda scheman används IFOC mer vanligt eftersom det i slutna lopp lätt kan operera genom hela snabbhetsintervallet från nollsnabbhet till hög snabbhet med fältförsvagning.

Fördelar med fältdirektstyrning

• Förbättrad dragkraftsrespons.

• Dragkraftsstyrning vid låga frekvenser och låg snabbhet.

• Dynamisk snabbhetsprecision.

• Reduktion av motorns storlek, kostnad och energiförbrukning.

• Fyra kvadrantoperation.

• Korttidsöverbelastningsförmåga.