อะไรคือ Field Oriented Control

อะไรคือการควบคุมที่มุ่งเน้นสนามแม่เหล็ก?

นิยามของการควบคุมที่มุ่งเน้นสนามแม่เหล็ก

การควบคุมที่มุ่งเน้นสนามแม่เหล็กเป็นเทคนิคที่ซับซ้อนในการจัดการมอเตอร์เหนี่ยวนำไฟฟ้ากระแสสลับโดยการควบคุมแรงบิดและฟลักซ์แม่เหล็กอย่างอิสระ คล้ายกับมอเตอร์กระแสตรง

หลักการทำงานของการควบคุมที่มุ่งเน้นสนามแม่เหล็ก

การควบคุมที่มุ่งเน้นสนามแม่เหล็กประกอบด้วยการควบคุมกระแสสเตเตอร์ที่แสดงเป็นเวกเตอร์ การควบคุมนี้ขึ้นอยู่กับการแปลงที่เปลี่ยนระบบสามเฟสที่ขึ้นอยู่กับเวลาและความเร็วเป็นระบบสองพิกัด (d และ q) ที่ไม่ขึ้นอยู่กับเวลา

 การแปลงและการฉายภาพเหล่านี้นำไปสู่โครงสร้างที่คล้ายกับการควบคุมเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง เครื่อง FOC ต้องการค่าคงที่สองค่าเป็นอินพุตอ้างอิง: ส่วนของแรงบิด (ตามแนวพิกัด q) และส่วนของฟลักซ์ (ตามแนวพิกัด d)

แรงดันไฟฟ้ากระแสไฟฟ้าและฟลักซ์ของมอเตอร์ AC สามารถวิเคราะห์ในรูปแบบเวกเตอร์พื้นที่เชิงซ้อน หากเราใช้ ia, ib, ic เป็นกระแสไฟฟ้าทันทีในเฟสสเตเตอร์ แล้วเวกเตอร์กระแสสเตเตอร์จะถูกกำหนดดังนี้:

เมื่อ (a, b, c) เป็นแกนของระบบสามเฟส เวกเตอร์พื้นที่นี้แสดงถึงระบบไซนัสสามเฟส มันต้องถูกแปลงเป็นระบบพิกัดสองที่ไม่ขึ้นอยู่กับเวลา การแปลงนี้สามารถแบ่งออกเป็นสองขั้นตอน:(a, b, c) → (α, β) (การแปลง Clarke) ซึ่งให้เอาต์พุตของระบบพิกัดสองที่ขึ้นอยู่กับเวลา (a, β) → (d, q) (การแปลง Park) ซึ่งให้เอาต์พุตของระบบพิกัดสองที่ไม่ขึ้นอยู่กับเวลา

(a, b, c) → (α, β) การแปลง (Clarke transformation) ปริมาณสามเฟสไม่ว่าจะเป็นแรงดันหรือกระแสที่แปรผันตามเวลาตามแกน a, b, และ c สามารถแปลงทางคณิตศาสตร์เป็นแรงดันหรือกระแสสองเฟสที่แปรผันตามเวลาตามแกน α และ β โดยใช้เมทริกซ์การแปลงดังต่อไปนี้:

โดยสมมติว่าแกน a และแกน α อยู่ในทิศทางเดียวกัน และ β ตั้งฉากกับพวกมัน เราจะได้แผนภาพเวกเตอร์ดังนี้:

การฉายภาพด้านบนเปลี่ยนระบบสามเฟสเป็นระบบ (α, β) สองมิติที่ตั้งฉากกันดังที่ระบุไว้ด้านล่าง:

แต่กระแสสองเฟส (α, β) ยังคงขึ้นอยู่กับเวลาและความเร็ว (α, β) → (d.q) การแปลง (Park transformation) นี่คือการแปลงที่สำคัญที่สุดใน FOC จริงๆ แล้ว การฉายภาพนี้เปลี่ยนระบบพิกัดสองที่ตั้งตรง (α, β) ให้เป็นระบบพิกัดหมุน (d, q) เมทริกซ์การแปลงมีดังนี้:

เมื่อ θ เป็นมุมระหว่างระบบพิกัดหมุนและระบบพิกัดคงที่

หากคุณพิจารณาแกน d ให้สอดคล้องกับฟลักซ์โรเตอร์ รูปที่ 2 แสดงความสัมพันธ์จากสองเฟรมอ้างอิงสำหรับเวกเตอร์กระแส:

เมื่อ θ เป็นตำแหน่งฟลักซ์โรเตอร์ ส่วนของแรงบิดและฟลักซ์ของเวกเตอร์กระแสจะถูกกำหนดโดยสมการต่อไปนี้:

ส่วนเหล่านี้ขึ้นอยู่กับส่วนของเวกเตอร์กระแส (α, β) และตำแหน่งฟลักซ์โรเตอร์ หากคุณทราบตำแหน่งฟลักซ์โรเตอร์ที่ถูกต้อง ดังนั้นส่วน d, q สามารถคำนวณได้ง่ายๆ ที่ขณะนี้ แรงบิดสามารถควบคุมได้โดยตรงเพราะส่วนของฟลักซ์ (isd) และส่วนของแรงบิด (isq) แยกจากกันแล้ว

โมดูลพื้นฐานสำหรับการควบคุมที่มุ่งเน้นสนามแม่เหล็ก

กระแสเฟสสเตเตอร์ถูกวัด กระแสที่วัดได้เหล่านี้ถูกป้อนเข้าสู่บล็อกการแปลง Clarke ผลลัพธ์จากการแปลงนี้เรียกว่า isα และ isβ ส่วนประกอบสองส่วนของกระแสเหล่านี้เข้าสู่บล็อกการแปลง Park ที่ให้กระแสในเฟรมอ้างอิง d, q

ส่วนประกอบ isd และ isq ถูกเทียบกับอ้างอิง: isdref (อ้างอิงฟลักซ์) และ isqref (อ้างอิงแรงบิด) ณ ขณะนี้ โครงสร้างการควบคุมมีข้อได้เปรียบ: สามารถใช้ควบคุมมอเตอร์ซิงโครนัสหรือมอเตอร์เหนี่ยวนำได้โดยการเปลี่ยนอ้างอิงฟลักซ์และติดตามตำแหน่งฟลักซ์โรเตอร์ ในกรณีของ PMSM ฟลักซ์โรเตอร์ถูกกำหนดโดยแม่เหล็กจึงไม่จำเป็นต้องสร้างใหม่

ดังนั้น ในขณะควบคุม PMSM isdref ควรเท่ากับศูนย์ เนื่องจากมอเตอร์เหนี่ยวนำต้องการการสร้างฟลักซ์โรเตอร์เพื่อทำงาน อ้างอิงฟลักซ์ไม่ควรเท่ากับศูนย์ นี่ทำให้ขจัดข้อเสียหนึ่งในข้อเสียหลักของโครงสร้างการควบคุม "คลาสสิก": การย้ายจากไดรฟ์แบบอะซิงโครนัสไปยังไดรฟ์แบบซิงโครนัส

ผลลัพธ์ของตัวควบคุม PI คือ Vsdref และ Vsqref พวกเขาถูกนำไปใช้กับบล็อกการแปลง Park แบบกลับ ผลลัพธ์จากการแปลงนี้คือ Vsαref และ Vsβref ถูกป้อนเข้าสู่อัลกอริทึมการแปลงช่วงเวลาเวกเตอร์พัลส์ (SVPWM) ผลลัพธ์จากบล็อกนี้ให้สัญญาณที่ขับเคลื่อนอินเวอร์เตอร์ ที่นี่ทั้งการแปลง Park และการแปลง Park แบบกลับต้องการตำแหน่งฟลักซ์โรเตอร์ ดังนั้นตำแหน่งฟลักซ์โรเตอร์เป็นหัวใจของ FOC

การประเมินตำแหน่งฟลักซ์โรเตอร์แตกต่างกันหากเราพิจารณามอเตอร์ซิงโครนัสหรือมอเตอร์เหนี่ยวนำ ในกรณีของมอเตอร์ซิงโครนัส ความเร็วโรเตอร์เท่ากับความเร็วฟลักซ์โรเตอร์ จากนั้นตำแหน่งฟลักซ์โรเตอร์ถูกกำหนดโดยเซ็นเซอร์ตำแหน่งหรือโดยการรวมความเร็วโรเตอร์

ในกรณีของมอเตอร์เหนี่ยวนำ ความเร็วโรเตอร์ไม่เท่ากับความเร็วฟลักซ์โรเตอร์เนื่องจาก slip ดังนั้นวิธีการเฉพาะถูกใช้เพื่อประเมินตำแหน่งฟลักซ์โรเตอร์ (θ) วิธีการนี้ใช้โมเดลกระแส ซึ่งต้องการสมการสองสมการของโมเดลมอเตอร์เหนี่ยวนำในเฟรมอ้างอิงหมุน (d, q)

แผนภาพบล็อก FOC แบบอ้อมที่ลดรูป

การจำแนกประเภทของการควบคุมที่มุ่งเน้นสนามแม่เหล็ก

FOC สำหรับไดรฟ์มอเตอร์เหนี่ยวนำสามารถจำแนกเป็นสองประเภท: IFOC และ DFOC ในวิธี DFOC เวกเตอร์ฟลักซ์โรเตอร์ถูกวัดโดยใช้เซ็นเซอร์ฟลักซ์ที่ติดตั้งในช่องอากาศหรือโดยใช้สมการแรงดันเริ่มต้นจากพารามิเตอร์เครื่องกำเนิดไฟฟ้า

 แต่ในกรณีของ IFOC เวกเตอร์ฟลักซ์โรเตอร์ถูกประมาณโดยใช้สมการการควบคุมที่มุ่งเน้นสนามแม่เหล็ก (โมเดลกระแส) ที่ต้องการการวัดความเร็วโรเตอร์ ระหว่างทั้งสองวิธี IFOC ถูกใช้มากกว่าเนื่องจากในโหมดวงป้อนกลับมันสามารถทำงานได้ตลอดช่วงความเร็วจากความเร็วศูนย์ถึงความเร็วสูงที่ลดสนามแม่เหล็ก

ข้อดีของการควบคุมที่มุ่งเน้นสนามแม่เหล็ก

• การตอบสนองแรงบิดที่ดีขึ้น

• การควบคุมแรงบิดที่ความถี่และความเร็วต่ำ

• ความแม่นยำของความเร็วแบบไดนามิก

• การลดขนาดมอเตอร์ ค่าใช้จ่าย และการใช้พลังงาน

• การทำงานในสี่ควอดแรนต์

• ความสามารถในการโหลดเกินระยะสั้น