Orientované řízení podle pole

AC indukční motory nabízejí vynikající provozní charakteristiky, jako jsou odolnost, spolehlivost a snadná řízení. Jsou široce používány v různých aplikacích, od průmyslových systémů pro řízení pohybu po spotřební elektroniku. Nicméně, efektivní využití indukčních motorů je náročné kvůli jejich složitému matematickému modelu a nelineárním charakteristikám při nasycení. Tyto faktory ztěžují řízení indukčního motoru a vyžadují použití vysokovýkonných algoritmů, jako je například vektorové řízení.

Úvod do Field Oriented Control

Skalární řízení, jako je "V/Hz" strategie, má své omezení v oblasti výkonu. Skalární metoda řízení indukčních motorů generuje oscilace na vytvořeném momentu. Pro dosažení lepší dynamické výkonnosti je tedy potřeba lepší řídicí schéma pro indukční motory. S matematickými schopnostmi mikrokontrolérů, digitálních signálových procesorů a FGPA lze implementovat pokročilé řídicí strategie, které dekódují funkci vytváření momentu a magnetizace v AC indukčním motoru. Tento dekódovaný moment a magnetizační tok se běžně nazývá rotor Orientované Řízení Tokem (FOC).

Orientované řízení pole popisuje způsob, jakým je řízení momentu a otáček přímo založeno na elektromagnetickém stavu motoru, podobně jako u DC motoru. FOC byla první technologie, která umožňovala řízení skutečných proměnných řízení motoru, momentu a toku. S dekódováním mezi statorovými toky (magnetizační tok a moment) lze nezávisle řídit komponentu momentu vytvářenou statorovým totem. Dekódované řízení, při nízkých otáčkách, může být magnetizační stav motoru udržován na vhodné úrovni, a moment lze řídit k regulaci otáček.
"FOC byl vyvinut výhradně pro vysokovýkonné aplikace motorů, které mohou hladce fungovat v širokém rozmezí otáček, mohou vytvářet plný moment při nulové rychlosti a jsou schopny rychlé akcelerace a decelarace."

Princip fungování Orientovaného řízení pole

Orientované řízení pole spočívá v řízení statorových toků reprezentovaných vektorem. Toto řízení je založeno na projekcích, které transformují třífázový systém závislý na čase a rychlosti na dvojrozměrný (d a q rámy) časově invariantní systém. Tyto transformace a projekce vedou k struktuře podobné řízení DC stroje. FOC stroje potřebují dvě konstanty jako vstupní referenční hodnoty: komponentu momentu (zarovnanou s q souřadnicí) a komponentu toku (zarovnanou s d souřadnicí).
Třífázové napětí, proudy a toky AC motorů lze analyzovat pomocí komplexních prostorových vektorů. Pokud vezmeme ia, ib, ic jako okamžité proudy ve fázích statoru, pak statorový proud je definován následovně:

Kde (a, b, c) jsou osy třífázového systému.

Tento prostorový vektor proudu reprezentuje třífázový sinusový systém. Je třeba ho transformovat do dvourozměrného časově invariantního systému. Tato transformace se dá rozdělit do dvou kroků:
(a, b, c) → (α, β) (Clarkeova transformace), která dává výstupy dvourozměrného časově variantního systému.
(a, β) → (d, q) (Parkova transformace), která dává výstupy dvourozměrného časově invariantního systému.
(a, b, c) → (α, β) Projekce (Clarkeova transformace)
Třífázové veličiny, buď napětí nebo proudy, se měnící v čase podél os a, b a c, lze matematicky transformovat do dvoufázových napětí nebo proudů, se měnících v čase podél os α a β následující transformační maticí:

Pokud předpokládáme, že osa a a osa α jsou stejným směrem a β je k nim kolmá, máme následující vektorový diagram:

Tato projekce modifikuje třífázový systém do (α, β) dvourozměrného ortogonálního systému, jak je uvedeno níže:

Ale tyto dvoufázové (α, β) proudy stále závisí na čase a rychlosti.
(α, β) → (d.q) projekce (Parkova transformace)
To je nejdůležitější transformace v FOC. Ve skutečnosti tato projekce modifikuje dvoufázový pevný ortogonální systém (α, β) do d, q rotujícího referenčního systému. Transformační matice je uvedena níže:

Kde θ je úhel mezi rotujícím a pevným koordinátním systémem.
Pokud považujete osu d za zarovnanou s rotoresním totem, obrázek 2 ukazuje vztah mezi dvěma referenčními systémy pro vektor proudu:

Kde θ je pozice rotoresního totemu. Komponenty momentu a toku vektoru proudu jsou určeny následujícími rovnicemi:

Tyto komponenty závisí na komponentách vektoru proudu (α, β) a na poloze rotoresního totemu. Pokud znáte přesnou polohu rotoresního totemu, pak podle výše uvedené rovnice lze snadno vypočítat komponenty d, q. V tomto okamžiku lze moment přímo řídit, protože komponenta toku (isd) a komponenta momentu (isq) jsou nyní nezávislé.

Základní modul pro Orientované řízení pole

Fázové statorové proudy jsou změřeny. Tyto změřené proudy jsou zavedeny do bloku Clarkeovy transformace. Výstupy této projekce jsou označeny isα a isβ. Tyto dvě komponenty proudu vstupují do bloku Parkovy transformace, který poskytuje proud v d, q referenčním rámci. Komponenty isd a isq jsou porovnány s referencemi: isdref (referenční tok) a isqref (referenční moment). V tomto okamžiku má řídicí struktura výhodu: lze ji použít k řízení synchronních nebo indukčních motorů jednoduchou změnou referenčního toku a sledováním polohy rotoresního totemu. V případě PMSM je rotoresní tok fixní, určený magnety, takže není třeba ho vytvářet. Proto při řízení PMSM by měla být isdref rovna nule. Jelikož indukční motory potřebují vytvoření rotoresního totemu, aby mohly fungovat, referenční tok nesmí být roven nule. Tím se snadno eliminuje jedno z hlavních nedostatků "klasických" řídicích struktur: přenos z asynchronních na synchronní pohon. Výstupy PI regulačních členů jsou Vsdref a Vsqref. Ty jsou aplikovány na inverzní Parkovu transformaci. Výstupy této projekce jsou Vsαref a Vsβref, které jsou zavedeny do bloku algoritmu prostorové vektorové pulzní šířkové modulace (SVPWM). Výstupy tohoto bloku poskytuj