Feltorienteret kontrol
AC induktionsmotorer tilbyder beundringsværdige driftsegenskaber som robusthed, pålidelighed og nem kontrol. De anvendes omfattende i forskellige applikationer, fra industrielle bevægelseskontrolsystemer til husholdningsapparater. Imidlertid er det en udfordring at bruge induktionsmotorer med højst mulig effektivitet på grund af deres komplekse matematiske model og ikke-lineære karakteristika under mætning. Disse faktorer gør kontrollen af induktionsmotorer svær og kræver anvendelse af avancerede kontrolalgoritmer som vektorregulering.
Introduktion til Feltorienteret Kontrol
Skalar kontrol, som "V/Hz"-strategien, har sine begrænsninger i forhold til ydeevne. Skalar kontrolmetode for induktionsmotorer genererer oscilleringer i den producerede drejmoment. For at opnå bedre dynamisk ydeevne er en mere superiør kontrolmetode nødvendig for induktionsmotorer. Med de matematiske bearbejdningsevner, der tilbydes af mikrokontroller, digitale signalprocesorer og FGPA, kan avancerede kontrolstrategier implementeres for at dekopplere drejmomentgenerering og magnetisering i en AC-induktionsmotor. Denne dekopplerede drejmoment og magnetiseringsflue kaldes ofte rotor Flueorienteret Kontrol (FOC).
Feltorienteret Kontrol beskriver, hvordan kontrollen af drejmoment og hastighed direkte baseres på motorens elektromagnetiske tilstand, ligesom ved en DC-motor. FOC er den første teknologi, der kontrollerer de "reelle" motorstyringsvariable, drejmoment og flue. Med dekoppling mellem stator strøm komponenter (magnetiseringsflue og drejmoment), kan drejmomentproducerende komponenten af statorfluen kontrolleres uafhængigt. Ved lav hastighed kan magnetiseringsstaten af motoren opretholdes på passende niveau, og drejmomentet kan kontrolleres for at regulere hastigheden.
"FOC er udelukkende udviklet til højtydende motorapplikationer, der kan køre jævnt over et bredt hastighedsområde, kan producere fuldt drejmoment ved nulhastighed, og er i stand til hurtig acceleration og deceleration."
Funktionsprincip for Feltorienteret Kontrol
Den feltorienterede kontrol består af at kontrollere statorstrømmene, der repræsenteres af en vektor. Denne kontrol baseres på projektioner, der transformerer et tre-fase tids- og hastighedsafhængigt system til et tokoordinatsystem (d- og q-ramme), der er tidsinvariant. Disse transformationer og projektioner fører til en struktur, der minder om kontrol af en DC-maskine. FOC-maskiner har brug for to konstanter som referenceindgange: drejmomentkomponenten (justeret med q-koordinatet) og fluekomponenten (justeret med d-koordinatet).
Tre-fase spændinger, strømme og fluer i AC-motorer kan analyseres i termer af komplekse rumvektorer. Hvis vi tager ia, ib, ic som øjeblikkelige strømme i statorfaserne, så defineres stator strøm vektoren som følger:
Hvor, (a, b, c) er akserne for tre-fasesystemet.
Denne strøm rumvektor repræsenterer det tre-fase sinusformet system. Den skal transformeres til et tokoordinatsystem, der er tidsinvariant. Denne transformation kan deles ind i to trin:
(a, b, c) → (α, β) (den Clarke-transformation), som giver output af et tokoordinatsystem, der er tidsvariant.
(a, β) → (d, q) (den Park-transformation), som giver output af et tokoordinatsystem, der er tidsinvariant.
Transformationen (a, b, c) → (α, β) (Clarke-transformationen)
Tre-fase størrelser, enten spændinger eller strømme, der varierer i tid langs akserne a, b, og c, kan matematisk transformeres til to-fase spændinger eller strømme, der varierer i tid langs akserne α og β ved følgende transformationsmatrix:
Under antagelsen, at akse a og akse α er langs samme retning, og β er ortogonal til dem, har vi følgende vektordiagram:
Denne projektion ændrer tre-fasesystemet til (α, β) todimensionalt ortogonalt system som følger:
Men disse to fase (α, β) strømme afhænger stadig af tid og hastighed.
Transformationen (α, β) → (d.q) (Park-transformationen)
Dette er den mest vigtige transformation i FOC. I virkeligheden ændrer denne projektion det tophase faste ortogonale system (α, β) til d, q roterende referenceramme. Transformationsmatricen er givet nedenfor:
Hvor, θ er vinklen mellem det roterende og det faste koordinatsystem.
Hvis du betragter d-aksen justeret med rotorfluen, viser figur 2 forholdet mellem de to referencerammer for strøm vektoren:
Hvor, θ er rotorfluenes position. Drejmoment- og fluekomponenterne af strøm vektoren fastsættes af følgende ligninger:
Disse komponenter afhænger af strømvektorens (α, β) komponenter og på rotorfluenes position. Hvis du kender den præcise rotorfluesposition, kan d- og q-komponenterne let beregnes ved ovenstående ligning. I dette øjeblik kan drejmomentet direkte kontrolleres, da fluekomponenten (isd) og drejmomentkomponenten (isq) nu er uafhængige.
Grundlæggende Modul for Feltorienteret Kontrol
Statorfasestrømme måles. Disse målte strømme føres ind i den Clarke-transformation. Projektionens output er benævnt isα og isβ. Disse to komponenter af strømmen føres ind i den Park-transformation, der leverer strøm i d, q-referenceramme. isd og isq komponenterne sammenlignes med referencer: isdref (flue-referencen) og isqref (drejmomentreferencen). I dette øjeblik har kontrolstrukturen en fordel: den kan bruges til at styre både synkron- eller induktionsmaskiner ved simpelthen at ændre flue-referencen og sporere rotorfluenes position. I tilfælde af PMSM er rotorfluen fast bestemt af magneterne, så der er ingen behov for at skabe en. Derfor, når man styrer en PMSM, bør isdref være lig med nul. Da induktionsmotorer har brug for at skabe en rotorflue for at fungere, må flue-referencen ikke være lig med nul. Dette eliminerer let en af de store svagheder i de "klassiske" kontrolstrukturer: portabiliteten fra asynkrone til synkrone drives. PI-regulatorernes output er Vsdref og Vsqref. De anvendes til den inverse Park-transformation. Projektionens output er Vsαref og Vsβref føres til rumvektor pulsbredde modulations (SVPWM) algoritmeblok. Output fra denne blok leverer signaler, der driver inverteren. Her har både Park- og den inverse Park-transformation brug for rotorfluenes position. Rotorfluenes position er essensen af FOC.
Vurderingen af rotorfluenes position er forskellig, hvis vi betragter synkron- eller induktionsmotorer.
I tilfælde af
