التحكم الموجه حسب المجال
محركات الحث الكهربائية تقدم خصائص تشغيلية ممتازة مثل المتانة والموثوقية وسهولة السيطرة. يتم استخدامها بشكل واسع في مجموعة متنوعة من التطبيقات بدءًا من أنظمة التحكم في الحركة الصناعية وحتى الأجهزة المنزلية. ومع ذلك، فإن استخدام محركات الحث بكفاءة عالية يعد مهمة صعبة بسبب نموذجها الرياضي المعقد والخصائص غير الخطية أثناء التشبع. هذه العوامل تجعل السيطرة على محرك الحث صعبة وتدعو لاستخدام خوارزميات سيطرة عالية الأداء مثل السيطرة المتجهة.
مقدمة عن التحكم الموجه بالمجال
التحكم العددي مثل استراتيجية "V/Hz" له حدوده من حيث الأداء. طريقة السيطرة العددية على محركات الحث تنتج اهتزازات على العزم المنتج. ولذا لتحقيق أداء ديناميكي أفضل، يتعين استخدام نظام سيطرة أكثر تفوقاً لمحرك الحث. مع القدرات الحسابية التي توفرها المتحكمات الدقيقة ومعالجات الإشارات الرقمية ووحدات FGPA، يمكن تنفيذ استراتيجيات سيطرة متقدمة لفصل وظائف إنتاج العزم والتغذية المغناطيسية في محرك الحث الكهربائي. هذا العزم المنفصل والتيار المغناطيسي يُطلق عليه عادةً اسم التحكم الموجه بالمجال (FOC).
التحكم الموجه بالمجال يصف الطريقة التي يتم بها التحكم في العزم والسرعة مباشرة بناءً على الحالة الكهرومغناطيسية للمحرك، مشابهًا لمحرك DC. FOC هي أول تقنية تتحكم في متغيرات السيطرة الحقيقية للعزم والتيار المغناطيسي. بفصل بين مكونات تيار المغناطيس والمغناطيس، يمكن التحكم بشكل مستقل في مكون العزم من تيار المغناطيس. عند السرعات المنخفضة، يمكن الحفاظ على حالة التغذية المغناطيسية للمحرك عند المستوى المناسب، ويمكن التحكم في العزم لتنظيم السرعة.
"تم تطوير FOC فقط لتطبيقات المحركات عالية الأداء التي يمكنها العمل بشكل سلس على مدى نطاق السرعات الواسع، وإنتاج العزم الكامل عند السرعة الصفرية، وقادرة على التسارع والتباطؤ السريع."
مبدأ عمل التحكم الموجه بالمجال
يتكون التحكم الموجه بالمجال من التحكم في تيار المغناطيس الممثل بواسطة متجه. هذا النوع من السيطرة يقوم على الإسقاطات التي تحول نظام ثلاثي الطور يعتمد على الوقت والسرعة إلى نظام ثنائي الإحداثيات (إطار d و q) ثابت زمنياً. هذه الإسقاطات والتحويلات تؤدي إلى بنية مشابهة لسيطرة محرك DC. يحتاج آلات FOC إلى ثوابت كمرجعين للدخل: مكون العزم (المحاذاة مع الإحداثي q) ومكون التغذية المغناطيسية (المحاذاة مع الإحداثي d).
يمكن تحليل الجهد والتيار والمغناطيسية الثلاثية الطور لمحركات AC من حيث المتجهات الفضائية المعقدة. إذا اعتبرنا ia, ib, ic كتيارات فورية في مراحل المغناطيس الثابت، فإن متجه التيار المغناطيسي يتم تعريفه كما يلي:
حيث (a, b, c) هي محاور النظام ثلاثي الطور.
هذا متجه التيار يمثل النظام الثلاثي الطور الجيبوي. يجب تحويله إلى نظام إحداثي ثنائي ثابت زمنياً. يمكن تقسيم هذا التحويل إلى خطوتين:
(a, b, c) → (α, β) (تحويل كلارك)، الذي يعطي إخراج نظام إحداثي ثنائي متغير زمنياً.
(α, β) → (d, q) (تحويل بارك)، الذي يعطي إخراج نظام إحداثي ثنائي ثابت زمنياً.
الإسقاط (a, b, c) → (α, β) (تحويل كلارك)
يمكن تحويل الكميات الثلاثية الطور سواء كانت جهود أو تيارات، تتغير في الوقت على المحاور a, b, و c رياضياً إلى جهود أو تيارات ثنائية الطور، تتغير في الوقت على المحاور α و β بواسطة المصفوفة التالية للتحويل:
بافتراض أن المحور a والمحور α في نفس الاتجاه وأن β عمودي عليهما، لدينا الرسم البياني التالي:
يعمل هذا الإسقاط على تغيير النظام ثلاثي الطور إلى النظام الثنائي الأبعاد (α, β) كما هو موضح أدناه:
لكن هذين التيارين (α, β) لا يزالان يعتمدان على الزمن والسرعة.
الإسقاط (α, β) → (d.q) (تحويل بارك)
هذا هو أهم تحويل في FOC. في الواقع، يقوم هذا الإسقاط بتغيير النظام الثنائي الثابت الأرتكازي (α, β) إلى نظام إحداثي دوراني (d, q). يتم إعطاء مصفوفة التحويل أدناه:
حيث، θ هي الزاوية بين النظام الإحداثي الدوراني والنظام الثابت. إذا اعتبرنا المحور d محاذا مع تيار المغناطيس، يظهر الشكل 2 العلاقة بين الإطارين المرجعيين لمتجه التيار:
حيث، θ هو موقع تيار المغناطيس. يتم تحديد مكونات العزم والتيار المغناطيسي لمتجه التيار بواسطة المعادلات التالية:
تعتمد هذه المكونات على مكونات متجه التيار (α, β) وعلى موقع تيار المغناطيس. إذا كنت تعرف موقع تيار المغناطيس بدقة، فيمكن حساب المكونات d, q بسهولة باستخدام المعادلة أعلاه. في هذه اللحظة، يمكن التحكم في العزم مباشرة لأن مكون التيار المغناطيسي (isd) ومكون العزم (isq) مستقلان الآن.
وحدة أساسية للتحكم الموجه بالمجال
يتم قياس تيارات مراحل المغناطيس الثابت. يتم تغذية هذه التيارات المقاسة إلى كتلة تحويل كلارك. الإخراج من هذا الإسقاط يتم تسميته isα و isβ. يدخل هذان المكونان من التيار إلى كتلة تحويل بارك التي توفر التيار في إطار الإحداثيات d, q. يتم مقارنة مكونات isd و isq بالمرجعيات: isdref (مرجع التغذية المغناطيسية) و isqref (مرجع العزم). في هذه اللحظة، يمتلك هيكل السيطرة ميزة: يمكن استخدامه للتحكم في المحركات المزامنة أو الحثية ببساطة عن طريق تغيير مرجع التغذية المغناطيسية وتتبع موقع تيار المغناطيس. في حالة PMSM، يكون تيار المغناطيس ثابتًا محددًا بواسطة المغناطيس وبالتالي لا يوجد حاجة لإنشائه. لذا، أثناء التحكم في PMSM، يجب أن يكون isdref مساوياً للصفر. بما أن محركات الحث تحتاج إلى إنشاء تيار المغناطيس لكي تعمل، فلا يجب أن يكون مرجع التغذية المغناطيسية مساوياً للصفر. هذا يلغي بسهولة أحد أكبر نقاط الضعف في الهياكل التقليدية للسيطرة: القابلية للنقل من المحركات غير المزامنة إلى المحركات المزامنة. الإخراج من كتل PI هو Vsdref و Vsqref. يتم تطبيقهما على كتلة تحويل بارك العكسية. الإخراج من هذا الإسقاط هو Vsαref و Vsβref يتم تغذيتها إلى خوارزمية التحوير النبضي للمتجه (SVPWM). الإخراج من هذه الكتلة يوفر إشارات تشغل العاكس. هنا، يحتاج كل من تحويل بارك وتحويل بارك العكسي لموقع تيار المغناطيس. لذلك يعتبر موقع تيار المغناطيس جوهر FOC.
تقييم موقع تيار المغناطيس مختلف إذا اعتبرنا المحرك المزامن أو الحثي.
في حالة المحركات المزامنة، تكون سرعة المحرك مساوية لسرعة تيار المغناطيس. ثم يتم تحديد موقع تيار المغناطيس مباشرة بواسطة مستشعرموقع
