Control Orientat al Camp

Els motors d'inducció AC ofereixen característiques operatives envidiables com la robustesa, la fiabilitat i la facilitat de control. Són ampliament utilitzats en diverses aplicacions, des de sistemes de control de moviment industrial fins a electrodomèstics. No obstant això, l'ús dels motors d'inducció amb la màxima eficiència és una tasca complexa degut al seu model matemàtic complex i a la seva característica no lineal durant la saturació. Aquests factors fan que el control del motor d'inducció sigui difícil i requereixin l'ús d'algoritmes de control de alt rendiment com el control vectorial.

Introducció al Control Orientat al Camp

El control escalar, com la estratègia "V/Hz", té les seves limitacions en termes de rendiment. El mètode de control escalar per als motors d'inducció genera oscil·lacions en el moment produït. Per tant, per aconseguir un millor rendiment dinàmic, es necessita un esquema de control superior per al Motor d'Inducció. Amb les capacitats de processament matemàtic ofertes pels microcontroladors, els processadors de senyal digital i els FGPA, es poden implementar estratègies de control avançades per desacoblament de la generació de moment i les funcions de magnetització en un motor d'inducció AC. Aquest moment desacoblament i flux de magnetització s'anomena sovint Control Orientat al Flux (FOC) del rotor.

Control Orientat al Camp descriu la manera en què el control del moment i la velocitat estan basats directament en l'estat electromagnètic del motor, similar a un motor DC. El FOC és la primera tecnologia per controlar les variables reals de control del motor, com el moment i el flux. Amb el desacoblament entre les components de la corrent del estator (flux de magnetització i moment), la component productora de moment del flux del estator es pot controlar independentment. En control desacoblament, a baixes velocitats, es pot mantenir l'estat de magnetització del motor al nivell adequat, i es pot controlar el moment per regular la velocitat.
“El FOC s'ha desenvolupat exclusivament per a aplicacions de motor de alt rendiment que poden funcionar suavement en un ample rang de velocitats, poden produir moment total a velocitat zero, i són capaces d'acceleració i decel·leració ràpides.”

Principi de Funcionament del Control Orientat al Camp

El control orientat al camp consisteix en controlar les corrents del estator representades per un vector. Aquest control es basa en projeccions que transformen un sistema tri-fàsic dependent del temps i la velocitat en un sistema invariante en el temps amb dues coordenades (marc d i q). Aquestes transformacions i projeccions porten a una estructura similar al control d'un motor DC. Les màquines FOC necessiten dos constants com a referències d'entrada: la component de moment (alineada amb la coordenada q) i la component de flux (alineada amb la coordenada d).
Les tensions, corrents i fluxos tri-fàsics dels motors AC es poden analitzar en termes de vectors espacials complexos. Si prenem ia, ib, ic com a corrents instantànies en les fases del estator, llavors el vector de corrent del estator es defineix com segueix:

On, (a, b, c) són els eixos del sistema tri-fàsic.

Aquest vector de corrent representa el sistema tri-fàsic sinusoidal. Cal transformar-lo en un sistema de coordenades invariants en el temps. Aquesta transformació es pot dividir en dos passos:
(a, b, c) → (α, β) (la transformació Clarke), que dóna sortides d'un sistema de dues coordenades variant en el temps.
(α, β) → (d, q) (la transformació Park), que dóna sortides d'un sistema de dues coordenades invariants en el temps.
La (a, b, c) → (α, β) Projecció (Transformació Clarke)
Les quantitats tri-fàsiques, ja siguin tensions o corrents, que varien en el temps segons els eixos a, b, i c es poden transformar matemàticament en tensions o corrents biphasiques, que varien en el temps segons els eixos α i β mitjançant la següent matriu de transformació:

Assumint que l'eix a i l'eix α estan en la mateixa direcció i β és ortogonal a ells, tenim el següent diagrama vectorial:

La projecció anterior modifica el sistema tri-fàsic en el sistema (α, β) de dues dimensions ortogonals, com s'explica a continuació:

Però aquestes dues fases (α, β) de corrent encara depenen del temps i la velocitat.
La (α, β) → (d.q) projecció (Transformació Park)
Aquesta és la transformació més important en el FOC. De fet, aquesta projecció modifica el sistema ortogonal fixe de dues fases (α, β) en un sistema de referència rotatori d, q. La matriu de transformació es dona a continuació:

On, θ és l'angle entre el sistema de coordenades rotatori i fixe.
Si considerem l'eix d alineat amb el flux del rotor, la Figura 2 mostra la relació entre els dos marcs de referència per al vector de corrent:

On, θ és la posició del flux del rotor. Les components de moment i flux del vector de corrent es determinen per les següents equacions:

Aquestes components depenen de les components del vector de corrent (α, β) i de la posició del flux del rotor. Si coneixem la posició precisa del flux del rotor, llavors, mitjançant l'equació anterior, es poden calcular fàcilment les components d, q. En aquest instant, es pot controlar directament el moment perquè la component de flux (isd) i la component de moment (isq) són independents ara.

Mòdul Bàsic per al Control Orientat al Camp

Es mesuren les corrents de les fases del estator. Aquestes corrents mesurades s'introdueixen al bloc de transformació Clarke. Les sortides d'aquesta projecció són anomenades isα i isβ. Aquestes dues components de la corrent entren al bloc de transformació Park, que proporciona la corrent en el marc de referència d, q. Les components isd i isq es comparen amb les referències: isdref (la referència de flux) i isqref (la referència de moment). En aquest instant, la estructura de control té una avantatge: es pot utilitzar per controlar maquines síncrones o d'inducció simplement canviant la referència de flux i seguint la posició del flux del rotor. En el cas de PMSM, el flux del rotor és fix determinat pels magnets, per tant, no cal crear-ne un. Per tant, mentre s'estigui controlant un PMSM, isdref hauria de ser igual a zero. Com els motors d'inducció necessiten la creació d'un flux del rotor per a funcionar, la referència de flux no ha de ser igual a zero. Això elimina fàcilment una de les principals deficiències de les estructures de control “clàssiques”: la portabilitat de les unitats asincròniques a les sincròniques. Les sortides dels controladors PI són Vsdref i Vsqref. Es fan servir al bloc de transformació inversa Park. Les sortides d'aquesta projecció són Vsαref i Vsβref que es fan servir al bloc de l'algoritme de modulació de pulssos de vector espacial (SVPWM). Les sortides d'aquest bloc proporcionen senyals que piloten l'inversor. Aquí, tant la transformació Park com la transformació inversa Park necessiten la posició del flux del rotor. Per tant, la posició del flux del rotor és essencial en el FOC.
La valuació de la posició del flux del rotor és diferent si considerem el motor síncron o d'inducció.

Propina