Що таке керування, орієнтоване на поле?

Що таке керування, орієнтоване на поле?

Визначення керування, орієнтованого на поле

Керування, орієнтоване на поле, - це сучасна техніка, яка керує асинхронними електродвигунами, незалежно контролюючи момент і магнітний потік, подібно до ДС-електродвигунів.

Принцип роботи керування, орієнтованого на поле

Керування, орієнтоване на поле, полягає в керуванні статорними струмами, представленими вектором. Це керування базується на проекціях, які перетворюють систему з трьох фаз, що залежать від часу і швидкості, у двокоординатну (d і q) систему, не залежну від часу.

 Ці перетворення і проекції призводять до структури, схожої на керування ДС-машинами. Машини FOC потребують двох постійних величин як вхідних даних: компоненту моменту (справжньої осі q) і компоненту потоку (справжньої осі d).

Трьохфазні напруги, струми та потоки АС-двигунів можна аналізувати в термінах комплексних просторових векторів. Якщо взяти ia, ib, ic як миттєві струми в фазах статора, то вектор струму статора визначається наступним чином:

Де (a, b, c) - це осі трьохфазної системи.Цей просторовий вектор струму представляє трифазну синусоїдальну систему. Його потрібно перетворити в двокоординатну систему, не залежну від часу. Це перетворення можна розділити на два кроки:

(a, b, c) → (α, β) (перетворення Кларка), яке дає виходи двокоординатної системи, що залежить від часу.

(α, β) → (d, q) (перетворення Парка), яке дає виходи двокоординатної системи, не залежної від часу.

Перетворення (a, b, c) → (α, β) (перетворення Кларка)Трьохфазні величини, будь то напруги або струми, що змінюються в часі вздовж осей a, b і c, можна математично перетворити в двофазні напруги або струми, що змінюються в часі вздовж осей α і β за допомогою наступної матриці перетворення:

Припустимо, що вісь a і вісь α розташовані вздовж однієї прямої, а β перпендикулярна їм, маємо наступний векторний діаграм:

Наведене проекціювання модифікує трифазну систему в (α, β) двовимірну ортогональну систему, як зазначено нижче:

Але ці двофазні (α, β) струми все ще залежать від часу і швидкості.Перетворення (α, β) → (d, q) (перетворення Парка)Це найважливіше перетворення в FOC. Насправді, це проекціювання модифікує двофазну фіксовану ортогональну систему (α, β) в d, q обертаючу систему координат. Матриця перетворення наведена нижче:

Де, θ - це кут між обертаючою і фіксованою системами координат.

Якщо ви розглядаєте вісь d, спрямовану вздовж потоку ротора, Рисунок 2 показує зв'язок між двома системами координат для вектора струму:

Де, θ - це положення потоку ротора. Компоненти моменту і потоку вектора струму визначаються наступними рівняннями:

Ці компоненти залежать від компонентів вектора струму (α, β) і положення потоку ротора. Якщо ви знаєте точне положення потоку ротора, то, за допомогою вищенаведеного рівняння, компоненти d, q можна легко обчислити. В цей момент момент можна контролювати безпосередньо, оскільки компонент потоку (isd) і компонент моменту (isq) тепер незалежні.

Основний модуль керування, орієнтованого на поле

Струми фаз статора вимірюються. Ці виміряні струми подаються в блок перетворення Кларка. Виходи цього проекціювання називаються isα і isβ. Ці дві компоненти струму входять в блок перетворення Парка, який надає струм в системі координат d, q. 

Компоненти isd і isq порівнюються з відповідними референсами: isdref (референс потоку) і isqref (референс моменту). В цей момент структура керування має перевагу: її можна використовувати для керування синхронними або асинхронними машинами, просто змінюючи референс потоку і відстежуючи положення потоку ротора. У випадку ПМСМ потік ротора фіксований, визначений магнітами, тому немає потреби його створювати. 

Тому, під час керування ПМСМ, isdref повинен дорівнювати нулю. Оскільки асинхронні двигуни потребують створення потоку ротора для роботи, референс потоку не повинен дорівнювати нулю. Це легко усуває одну з головних недоліків "класичних" структур керування: переносимість від асинхронних до синхронних приводів. 

Виходи ПІ-регуляторів - це Vsdref і Vsqref. Вони застосовуються до блоку оберненого перетворення Парка. Виходи цього проекціювання Vsαref і Vsβref подаються в алгоритм модуляції широти імпульсів (SVPWM). Виходи цього блоку надають сигнали, які керують інвертором. Тут обидва перетворення Парка і обернене перетворення Парка потребують положення потоку ротора. Отже, положення потоку ротора є сутью FOC.

Оцінка положення потоку ротора відрізняється, якщо ми розглядаємо синхронний або асинхронний двигун.У випадку синхронного двигуна швидкість ротора дорівнює швидкості потоку ротора. Тоді положення потоку ротора визначається безпосередньо датчиком положення або інтегруванням швидкості ротора.

У випадку асинхронного двигуна швидкість ротора не дорівнює швидкості потоку ротора через просклиз, тому використовується особлива методика для оцінки положення потоку ротора (θ). Цей метод використовує модель струму, яка потребує двох рівнянь моделі асинхронного двигуна в обертаючій системі координат d, q.

Спрощена блок-схема опосередкованого FOC

Класифікація керування, орієнтованого на поле

FOC для приводу асинхронного двигуна можна загально класифікувати на два типи: опосередкований FOC і прямий FOC. У стратегії DFOC вектор потоку ротора або вимірюється за допомогою датчика потоку, встановленого в зазорі, або за допомогою рівнянь напруги, починаючи від параметрів електричної машини.

 Але у випадку IFOC вектор потоку ротора оцінюється за допомогою рівнянь керування, орієнтованого на поле (модель струму), що потребує вимірювання швидкості ротора. Серед обох схем, IFOC більш поширений, оскільки в замкнутому контурі він може легко працювати в діапазоні швидкостей від нульової швидкості до високої швидкості з ослабленням поля.

Переваги керування, орієнтованого на поле

• Покращена реакція моменту.

• Контроль моменту на низьких частотах і низьких швидкостях.

• Динамічна точність швидкості.

• Зменшення розмірів двигуна, вартості та споживання енергії.

• Робота в чотирьох квадрантах.

• Короткочасна перетворна здатність.