Điều gì là Điều khiển Hướng Trường?

Điều khiển định hướng trường là gì?

Định nghĩa Điều khiển Định Hướng Trường

Điều khiển định hướng trường là một kỹ thuật tinh vi quản lý động cơ cảm ứng AC bằng cách kiểm soát độc lập lực kéo và dòng từ, tương tự như động cơ DC.

Nguyên lý làm việc của Điều khiển Định Hướng Trường

Điều khiển định hướng trường bao gồm việc kiểm soát các dòng điện stator được biểu diễn bằng một vectơ. Điều khiển này dựa trên các phép chiếu biến đổi hệ thống ba pha phụ thuộc thời gian và tốc độ thành hệ thống hai tọa độ (khung d và q) không phụ thuộc thời gian.

Các biến đổi và phép chiếu này dẫn đến một cấu trúc tương tự như điều khiển máy DC. Máy FOC cần hai hằng số làm tham chiếu đầu vào: thành phần lực kéo (đối xứng với tọa độ q) và thành phần dòng từ (đối xứng với tọa độ d).

Các điện áp, dòng điện và dòng từ ba pha của động cơ AC có thể được phân tích theo các vectơ không gian phức. Nếu ta lấy ia, ib, ic là các dòng điện tức thời trong các pha stator, thì vectơ dòng điện stator được định nghĩa như sau:

Trong đó, (a, b, c) là các trục của hệ thống ba pha. Vectơ không gian dòng điện này đại diện cho hệ thống ba pha hình sin. Nó cần được biến đổi thành hệ thống tọa độ không phụ thuộc thời gian. Biến đổi này có thể được chia thành hai bước:

(a, b, c) → (α, β) (biến đổi Clarke), cho ra kết quả là hệ thống hai tọa độ phụ thuộc thời gian.

(α, β) → (d, q) (biến đổi Park), cho ra kết quả là hệ thống hai tọa độ không phụ thuộc thời gian.

Phép chiếu (a, b, c) → (α, β) (Biến đổi Clarke) Các đại lượng ba pha, dù là điện áp hay dòng điện, thay đổi theo thời gian dọc theo các trục a, b, và c có thể được biến đổi toán học thành điện áp hoặc dòng điện hai pha, thay đổi theo thời gian dọc theo các trục α và β bằng ma trận biến đổi sau:

Giả sử trục a và trục α cùng hướng và β vuông góc với chúng, ta có sơ đồ vectơ sau:

Phép chiếu trên biến đổi hệ thống ba pha thành hệ thống trực giao hai chiều (α, β) như sau:

Nhưng hai dòng điện (α, β) vẫn phụ thuộc vào thời gian và tốc độ. Phép chiếu (α, β) → (d, q) (Biến đổi Park) Đây là biến đổi quan trọng nhất trong FOC. Thực tế, phép chiếu này biến đổi hệ thống trực giao cố định hai pha (α, β) thành hệ thống tham chiếu quay d, q. Ma trận biến đổi được đưa ra dưới đây:

Trong đó, θ là góc giữa hệ thống tham chiếu quay và cố định.

Nếu bạn coi trục d đối xứng với dòng từ rotor, Hình 2 cho thấy mối quan hệ từ hai khung tham chiếu cho vectơ dòng điện:

Trong đó, θ là vị trí dòng từ rotor. Thành phần lực kéo và dòng từ của vectơ dòng điện được xác định bởi các phương trình sau:

Các thành phần này phụ thuộc vào các thành phần vectơ dòng điện (α, β) và vị trí dòng từ rotor. Nếu biết chính xác vị trí dòng từ rotor, thì bằng phương trình trên, thành phần d, q có thể dễ dàng tính toán. Tại thời điểm này, lực kéo có thể được kiểm soát trực tiếp vì thành phần dòng từ (isd) và thành phần lực kéo (isq) đã độc lập.

Mô-đun Cơ bản cho Điều khiển Định Hướng Trường

Dòng điện pha stator được đo. Các dòng điện được đo này được cấp vào khối biến đổi Clarke. Đầu ra của phép chiếu này được gọi là isα và isβ. Hai thành phần dòng điện này đi vào khối biến đổi Park, cung cấp dòng điện trong khung tham chiếu d, q. 

Các thành phần isd và isq được so sánh với các tham chiếu: isdref (tham chiếu dòng từ) và isqref (tham chiếu lực kéo). Tại thời điểm này, cấu trúc điều khiển có ưu điểm: nó có thể được sử dụng để kiểm soát cả máy đồng bộ và máy cảm ứng chỉ bằng cách thay đổi tham chiếu dòng từ và theo dõi vị trí dòng từ rotor. Trong trường hợp PMSM, dòng từ rotor được xác định cố định bởi nam châm nên không cần tạo ra một dòng từ. 

Do đó, khi điều khiển PMSM, isdref nên bằng không. Vì máy cảm ứng cần tạo dòng từ rotor để hoạt động, tham chiếu dòng từ không được bằng không. Điều này dễ dàng loại bỏ một trong những nhược điểm lớn nhất của cấu trúc điều khiển "cổ điển": khả năng di chuyển từ máy không đồng bộ sang máy đồng bộ. 

Đầu ra của các bộ điều khiển PI là Vsdref và Vsqref. Chúng được áp dụng cho khối biến đổi Park ngược. Đầu ra của phép chiếu này là Vsαref và Vsβref được cấp vào khối thuật toán điều chế rộng xung vectơ không gian (SVPWM). Đầu ra của khối này cung cấp tín hiệu điều khiển inverter. Cả biến đổi Park và biến đổi Park ngược đều cần vị trí dòng từ rotor. Do đó, vị trí dòng từ rotor là yếu tố cốt lõi của FOC.

Đánh giá vị trí dòng từ rotor khác nhau nếu chúng ta xem xét máy đồng bộ hoặc máy cảm ứng. Trong trường hợp máy đồng bộ, tốc độ rotor bằng tốc độ dòng từ rotor. Khi đó, vị trí dòng từ rotor được xác định trực tiếp bằng cảm biến vị trí hoặc bằng cách tích phân tốc độ rotor.

Trong trường hợp máy cảm ứng, tốc độ rotor không bằng tốc độ dòng từ rotor do hiện tượng trượt; do đó, một phương pháp đặc biệt được sử dụng để đánh giá vị trí dòng từ rotor (θ). Phương pháp này sử dụng mô hình dòng, cần hai phương trình của mô hình máy cảm ứng trong khung tham chiếu quay d, q.

Sơ đồ Khối Điều khiển Định Hướng Trường Gián Tiếp Đơn giản

Phân loại Điều khiển Định Hướng Trường

Điều khiển định hướng trường cho ổ đĩa động cơ cảm ứng có thể được phân loại thành hai loại chính: FOC gián tiếp và FOC trực tiếp. Trong chiến lược DFOC, vectơ dòng từ rotor được đo bằng cảm biến dòng từ gắn trong khe hở hoặc bằng cách sử dụng các phương trình điện áp bắt đầu từ các thông số của máy điện.

Nhưng trong trường hợp IFOC, vectơ dòng từ rotor được ước tính bằng cách sử dụng các phương trình điều khiển định hướng trường (mô hình dòng) yêu cầu đo tốc độ rotor. Trong cả hai phương án, IFOC được sử dụng phổ biến hơn vì ở chế độ vòng kín, nó có thể hoạt động dễ dàng trong toàn bộ dải tốc độ từ tốc độ không đến tốc độ cao giảm từ.

Ưu điểm của Điều khiển Định Hướng Trường

• Tăng cường phản hồi lực kéo.

• Kiểm soát lực kéo ở tần số và tốc độ thấp.

• Chính xác động về tốc độ.

• Giảm kích thước động cơ, chi phí và tiêu thụ điện năng.

• Hoạt động bốn tư vực.

• Khả năng quá tải ngắn hạn.