Ano ang Field Oriented Control?

Ano ang Field Oriented Control?

Inilalarawan ang Field Oriented Control

Ang field oriented control ay isang matalinong teknik na nagmamaneho ng AC induction motors sa pamamagitan ng independiyenteng pagkontrol ng torque at magnetic flux, katulad ng mga DC motors.

Pangunahing Prinsipyong Ginagamit sa Field Oriented Control

Ang field oriented control ay binubuo ng pagkontrol ng stator currents na inirerepresenta ng isang vector. Ang kontrol na ito ay batay sa mga proyeksiyon na nagsasalamin ng isang tatlong phase na time at speed dependent system sa isang dalawang coordinate (d at q frame) na time invariant system.

 Ang mga transformasyon at proyeksiyon na ito ay nagbibigay ng isang istraktura na katulad ng kontrol ng DC machine. Kailangan ng FOC machines ng dalawang constants bilang input references: ang torque component (na aligned sa q coordinate) at ang flux component (na aligned sa d coordinate).

Ang tatlong-phase voltages, currents, at fluxes ng AC-motors ay maaaring ma-analyze sa termino ng complex space vectors. Kung kukunin natin ang ia, ib, ic bilang instantaneous currents sa stator phases, ang stator current vector ay inilalarawan bilang sumusunod:

Kung saan, (a, b, c) ang mga axis ng tatlong phase system.Ang current space vector na ito ay kumakatawan sa tatlong phase sinusoidal system. Kailangan itong i-transform sa isang dalawang time invariant coordinate system. Ang transformasyon na ito ay maaaring hatiin sa dalawang hakbang:

(a, b, c) → (α, β) (ang Clarke transformation), na nagbibigay ng output ng dalawang coordinate time variant system.

(a, β) → (d, q) (ang Park transformation), na nagbibigay ng output ng dalawang coordinate time invariant system.

Ang (a, b, c) → (α, β) Projection (Clarke transformation)Ang tatlong-phase quantities na ito, kahit voltage o current, na nagbabago sa oras sa mga axis a, b, at c, maaaring matematikal na i-transform sa dalawang-phase voltages o currents, na nagbabago sa oras sa mga axis α at β sa pamamagitan ng sumusunod na transformation matrix:

Assuming na ang axis a at ang axis α ay nasa parehong direksyon at β ay orthogonal sa kanila, mayroon tayo ng sumusunod na vector diagram:

Ang nabanggit na proyeksiyon ay nagbabago ang tatlong phase system sa (α, β) two dimension orthogonal system bilang nasa ibaba:

Pero ang dalawang phase (α, β) currents ay patuloy na depende sa oras at bilis.Ang (α, β) → (d.q) projection (Park transformation)Ito ang pinakamahalagang transformasyon sa FOC. Sa katunayan, ang proyeksiyon na ito ay nagbabago ang dalawang phase fixed orthogonal system (α, β) sa d, q rotating reference system. Ang transformation matrix ay nasa ibaba:

Kung saan, θ ang angle sa pagitan ng rotating at fixed coordinate system.

Kung ituturing mo ang d axis na aligned sa rotor flux, ang Figure 2 ay nagpapakita ng relasyon mula sa dalawang reference frames para sa current vector:

Kung saan, θ ang rotor flux position. Ang torque at flux components ng current vector ay dinetermina ng sumusunod na equations:

Ang mga components na ito ay depende sa current vector (α, β) components at sa rotor flux position. Kung alam mo ang accurate rotor flux position, ang d, q component ay maaaring madaliang makalkula. Sa kasalukuyang instant, ang torque ay maaaring direktang ma-control dahil ang flux component (isd) at torque component (isq) ay independent na ngayon.

Basic Module for Field Oriented Control

Nagsusukat ng stator phase currents. Ang mga sinukat na currents na ito ay ipinasok sa Clarke transformation block. Ang outputs ng proyeksiyon na ito ay tinatawag na isα at isβ. Ang dalawang components ng current na ito ay pumasok sa Park transformation block na nagbibigay ng current sa d, q reference frame. 

Ang isd at isq components ay kinumpara sa mga references: isdref (ang flux reference) at isqref (ang torque reference). Sa kasalukuyang instant, ang kontrol structure ay may advantage: ito ay maaaring gamitin upang kontrolin ang synchronous o induction machines sa pamamagitan lamang ng pagbabago ng flux reference at pag-track ng rotor flux position. Sa kaso ng PMSM, ang rotor flux ay fixed na deteminado ng mga magnets kaya walang kailangan na lumikha ng isa. 

Dahil dito, habang kontrolin ang PMSM, ang isdref ay dapat zero. Dahil kailangan ng induction motors ng rotor flux creation upang makapag-operate, ang flux reference ay hindi dapat zero. Ito ay madaling natanggal ang isa sa mga pangunahing kamalian ng "classic" control structures: ang portability mula sa asynchronous hanggang sa synchronous drives. 

Ang outputs ng PI controllers ay Vsdref at Vsqref. Ito ay ipinapasa sa inverse Park transformation block. Ang outputs ng proyeksiyon na ito ay Vsαref at Vsβref na ipinapasa sa space vector pulse width modulation (SVPWM) algorithm block. Ang outputs ng block na ito ay nagbibigay ng signals na nag-drive ng inverter. Dito, ang parehong Park at inverse Park transformations ay kailangan ng rotor flux position. Kaya ang rotor flux position ay sentral sa FOC.

Ang pag-evaluate ng rotor flux position ay iba kung susundin natin ang synchronous o induction motor.Sa kaso ng synchronous motor(s), ang rotor speed ay katumbas ng rotor flux speed. Kaya ang rotor flux position ay direktang dinetermina ng position sensor o sa pamamagitan ng integration ng rotor speed.

Sa kaso ng asynchronous motor(s), ang rotor speed ay hindi katumbas ng rotor flux speed dahil sa slip; kaya ang partikular na paraan ay ginagamit upang i-evaluate ang rotor flux position (θ). Ang paraan na ito ay gumagamit ng current model, na kailangan ng dalawang equations ng induction motor model sa d,q rotating reference frame.

Simplified Indirect FOC Block Diagram

Classification of Field Oriented Control

Ang FOC para sa induction motor drive ay maaaring higit na classify sa dalawang uri: Indirect FOC at Direct FOC schemes. Sa DFOC strategy, ang rotor flux vector ay kasama ang pagsukat ng flux sensor na nakalagay sa air-gap o sa pamamagitan ng voltage equations mula sa electrical machine parameters.

 Pero sa kaso ng IFOC, ang rotor flux vector ay estimated gamit ang field oriented control equations (current model) na nangangailangan ng rotor speed measurement. Sa parehong schemes, ang IFOC ay mas karaniwang ginagamit dahil sa closed-loop mode, ito ay maaaring madaliang operasyon sa buong speed range mula sa zero speed hanggang sa high-speed field-weakening.

Mga Advantages ng Field Oriented Control

• Improved torque response.

• Torque control sa low frequencies at low speed.

• Dynamic speed accuracy.

• Reduction sa laki ng motor, cost, at power consumption.

• Four quadrant operation.

• Short-term overload capability.