Feldorientierte Regelung
Wechselstrom-Induktionsmotoren bieten bewundernswerte Betriebscharakteristika wie Robustheit, Zuverlässigkeit und einfache Steuerbarkeit. Sie werden in verschiedenen Anwendungen von industriellen Bewegungssteuerungssystemen bis hin zu Haushaltsgeräten weit verbreitet eingesetzt. Die Nutzung von Induktionsmotoren mit höchster Effizienz ist jedoch aufgrund ihres komplexen mathematischen Modells und der nichtlinearen Charakteristik bei Sättigung eine herausfordernde Aufgabe. Diese Faktoren machen die Steuerung des Induktionsmotors schwierig und erfordern den Einsatz hochleistungsfähiger Steuerungsalgorithmen wie der Vektorregelung.
Einführung in die Feldorientierte Regelung
Skalare Regelungen wie die „V/Hz“-Strategie haben ihre Leistungsgrenzen. Die skalare Regelungsmethode für Induktionsmotoren erzeugt Oszillationen im erzeugten Drehmoment. Um bessere dynamische Leistung zu erzielen, ist für den Induktionsmotor ein überlegeneres Regelungsschema erforderlich. Mit den mathematischen Verarbeitungsfähigkeiten, die Mikrocontroller, digitale Signalprozessoren und FGPA bieten, können fortgeschrittene Regelstrategien implementiert werden, um die Drehmomentgenerierung und die Magnetisierungsfunktionen in einem Wechselstrom-Induktionsmotor zu entkoppeln. Dieses entkoppelte Drehmoment und Magnetisierungsfluss wird häufig als Rotor-Flussorientierte Regelung (FOC) bezeichnet.
Feldorientierte Regelung beschreibt, wie die Steuerung von Drehmoment und Geschwindigkeit direkt auf dem elektromagnetischen Zustand des Motors basiert, ähnlich wie bei einem Gleichstrommotor. FOC ist die erste Technologie, die die „wahren“ Motorkontrollvariablen Drehmoment und Fluss steuert. Durch die Entkopplung zwischen den Stator-Stromkomponenten (Magnetisierungsfluss und Drehmoment) kann die Drehmomentproduzierende Komponente des Statorflusses unabhängig gesteuert werden. Bei geringen Geschwindigkeiten kann durch entkoppelte Steuerung der Magnetisierungszustand des Motors auf dem angemessenen Niveau gehalten und das Drehmoment zur Regulierung der Geschwindigkeit gesteuert werden.
„FOC wurde ausschließlich für leistungsfähige Motoranwendungen entwickelt, die über einen weiten Geschwindigkeitsbereich hinweg reibungslos arbeiten können, bei Nullgeschwindigkeit volles Drehmoment erzeugen können und in der Lage sind, schnell zu beschleunigen und abzubremsen.“
Funktionsprinzip der Feldorientierten Regelung
Die feldorientierte Regelung besteht darin, die durch einen Vektor dargestellten Statorströme zu steuern. Diese Steuerung basiert auf Projektionen, die ein dreiphasiges zeit- und geschwindigkeitsabhängiges System in ein zweidimensionales (d- und q-Koordinatensystem) zeitinvariantes System transformieren. Diese Transformationen und Projektionen führen zu einer Struktur, die der Steuerung eines Gleichstrommotors ähnelt. FOC-Maschinen benötigen zwei Konstanten als Eingangsreferenzen: die Drehmomentkomponente (ausgerichtet mit der q-Koordinate) und die Flusskomponente (ausgerichtet mit der d-Koordinate).
Die dreiphasigen Spannungen, Ströme und Flüsse von Wechselstrommotoren können in Bezug auf komplexe Raumvektoren analysiert werden. Wenn wir ia, ib, ic als momentane Ströme in den Statorphasen annehmen, dann ist der Stator-Strom-Vektor wie folgt definiert:
Dabei sind (a, b, c) die Achsen des dreiphasigen Systems.
Dieser Strom-Raumvektor repräsentiert das dreiphasige sinusförmige System. Er muss in ein zweidimensionales, zeitinvariantes Koordinatensystem transformiert werden. Diese Transformation kann in zwei Schritte unterteilt werden:
(a, b, c) → (α, β) (die Clarke-Transformation), welche Ausgänge eines zweidimensionalen, zeitvarianten Systems liefert.
(α, β) → (d, q) (die Park-Transformation), welche Ausgänge eines zweidimensionalen, zeitinvarianten Systems liefert.
Die (a, b, c) → (α, β) Projektion (Clarke-Transformation)
Dreiphasige Größen, sei es Spannungen oder Ströme, die sich im Laufe der Zeit entlang der Achsen a, b und c ändern, können mathematisch in zweiphasige Spannungen oder Ströme, die sich im Laufe der Zeit entlang der Achsen α und β ändern, durch die folgende Transformationsmatrix transformiert werden:
Angenommen, die Achse a und die Achse α sind in dieselbe Richtung ausgerichtet und β steht orthogonal dazu, dann haben wir das folgende Vektordiagramm:
Die obige Projektion modifiziert das dreiphasige System in das (α, β) zweidimensionale orthogonale System, wie unten angegeben:
Aber diese beiden Phasen (α, β) Ströme hängen immer noch von der Zeit und Geschwindigkeit ab.
Die (α, β) → (d, q) Projektion (Park-Transformation)
Dies ist die wichtigste Transformation in der FOC. In der Tat modifiziert diese Projektion das feste orthogonale Zweiphasensystem (α, β) in ein rotierendes d, q-Referenzsystem. Die Transformationsmatrix lautet wie folgt:
Wobei θ der Winkel zwischen dem rotierenden und festen Koordinatensystem ist.
Wenn man die d-Achse mit dem Rotorfluss ausrichtet, zeigt Abbildung 2 die Beziehung zwischen den beiden Referenzrahmen für den Strom-Vektor:
Wobei θ die Position des Rotorflusses ist. Die Drehmoment- und Flusskomponenten des Strom-Vektors werden durch die folgenden Gleichungen bestimmt:
Diese Komponenten hängen von den Stromvektor (α, β) Komponenten und der Position des Rotorflusses ab. Wenn man die genaue Position des Rotorflusses kennt, können die d, q-Komponenten leicht berechnet werden. In diesem Moment kann das Drehmoment direkt gesteuert werden, da die Flusskomponente (isd) und die Drehmomentkomponente (isq) jetzt unabhängig sind.
Grundmodul für die Feldorientierte Regelung
Die Statorphasenströme werden gemessen. Diese gemessenen Ströme werden in den Clarke-Transformationsblock eingespeist. Die Ausgänge dieser Projektion werden als isα und isβ bezeichnet. Diese beiden Stromkomponenten gelangen in den Park-Transformationsblock, der den Strom im d, q-Referenzrahmen bereitstellt. Die isd und isq-Komponenten werden mit den Referenzen verglichen: isdref (der Flussreferenz) und isqref (der Drehmomentreferenz). In diesem Moment hat die Steuerstruktur einen Vorteil: sie kann verwendet werden, um sowohl synchrone als auch induktive Maschinen zu steuern, indem einfach die Flussreferenz geändert und die Position des Rotorflusses verfolgt wird. Im Fall von PMSM ist der Rotorfluss durch die Magnete festgelegt, so dass es keinen Bedarf gibt, einen zu erzeugen. Daher sollte bei der Steuerung eines PMSM isdref gleich null sein. Da Induktionsmotoren einen Rotorfluss zur Betriebsfähigkeit benötigen, darf die Flussreferenz nicht gleich null sein. Dies beseitigt leicht eines der Hauptprobleme der „klassischen“ Steuerstrukturen: die Portabilität von asynchronen auf synchrone Antriebe. Die Ausgänge der PI-Regler sind Vsdref und Vsqref. Sie werden in den inversen Park-Transformationsblock eingespeist. Die Ausgänge dieser Projektion sind Vsαref und Vsβref werden in den Raumvektor-Pulsweitenmodulationsalgorithmus (SVPWM) eingespeist. Die Ausgänge dieses Blocks liefern Signale, die den Inverter steuern. Hier benötigen sowohl die Park- als auch die inverse Park-Transformation die Position des Rotorflusses. Daher ist die Position des Rotorflusses essentiell für die FOC.
Die Bestimmung der Position des Rotorflusses unterscheidet sich, wenn man den synchronen oder induktiven Motor betrachtet.
