Control Orientado ao Campo

Os motores de indución AC ofreces características operativas envidiables como robustez, fiabilidade e facilidade de control. Son ampliamente utilizados en diversas aplicacións, desde sistemas de control de movemento industrial até electrodomésticos. No entanto, o uso de motores de indución na súa máxima eficiencia é unha tarefa desafiadora debido ao seu modelo matemático complexo e á súa característica non linear durante a saturación. Estes factores facen que o control do motor de indución sexa difícil e requira o uso de algoritmos de control de alto rendemento como o control vectorial.

Introdución ao Control Orientado ao Campo

O control escalar, como a estratexia "V/Hz", ten as súas limitacións en termos de rendemento. O método de control escalar para motores de indución xera oscilacións no torque producido. Polo tanto, para lograr un mellor rendemento dinámico, é necesaria unha esquema de control superior para o Motor de Indución. Con as capacidades de procesamento matemático ofrecidas polos microcontroladores, os procesadores de sinais dixitais e os FGPA, poden implementarse estratexias de control avanzadas para desacoplar a xeración de torque e as funcións de magnetización nun motor de indución AC. Este torque desacoplado e fluxo de magnetización coñécense comúnmente como Control Orientado ao Fluxo (FOC).

Control Orientado ao Campo describe a forma na que o control de torque e velocidade están baseados directamente no estado electromagnético do motor, similar a un motor DC. O FOC é a primeira tecnoloxía para controlar as variables reais de control do motor, torque e fluxo. Co desacoplamento entre as compoñentes da corrente do estator (fluxo de magnetización e torque), a compoñente de fluxo do estator que xera torque pode ser controlada independentemente. Co control desacoplado, a baixas velocidades, o estado de magnetización do motor pode manterse no nivel adecuado, e o torque pode ser controlado para regular a velocidade.
"O FOC foi desenvolvido exclusivamente para aplicacións de motor de alto rendemento que poden operar suavemente nunha ampla gama de velocidades, poden xerar torque completo a velocidade cero e son capaces de aceleración e desaceleración rápida."

Principio de Funcionamento do Control Orientado ao Campo

O control orientado ao campo consiste en controlar as correntes do estator representadas por un vector. Este control está baseado en proxeccións que transforman un sistema de tres fases dependente do tempo e da velocidade nun sistema invariante no tempo con dúas coordenadas (marcos d e q). Estas transformacións e proxeccións leván a unha estrutura semellante ao control dun motor DC. As máquinas FOC requiren dúas constantes como referencias de entrada: a compoñente de torque (alineada coa coordenada q) e a compoñente de fluxo (alineada coa coordenada d).
As tres voltaxes, correntes e fluxos dos motores AC poden analizarse en termos de vectores espaciais complexos. Se tomamos ia, ib, ic como correntes instantáneas nas fases do estator, entón o vector de corrente do estator defínese do seguinte modo:

Onde, (a, b, c) son os eixos do sistema de tres fases.

Este vector de corrente espacial representa o sistema senoidal de tres fases. É necesario transformalo nun sistema de coordenadas invariante no tempo. Esta transformación pode dividirse en dous pasos:
(a, b, c) → (α, β) (a transformación de Clarke), que dá como saída un sistema de dúas coordenadas variante no tempo.
(a, β) → (d, q) (a transformación de Park), que dá como saída un sistema de dúas coordenadas invariante no tempo.
A Proxección (a, b, c) → (α, β) (Transformación de Clarke)
As cantidades de tres fases, xa sexan voltaxes ou correntes, que varían no tempo ao longo dos eixos a, b e c, poden transformarse matematicamente en voltaxes ou correntes de dúas fases, que varían no tempo ao longo dos eixos α e β mediante a seguinte matriz de transformación:

Supoñendo que o eixe a e o eixe α están na mesma dirección e β é ortogonal a eles, temos o seguinte diagrama vectorial:

A proxección anterior modifica o sistema de tres fases no sistema ortogonal (α, β) de dúas dimensións, como se indica a continuación:

Pero estas dúas fases (α, β) de corrente aínda dependen do tempo e da velocidade.
A Proxección (α, β) → (d.q) (Transformación de Park)
Esta é a transformación máis importante no FOC. De feito, esta proxección modifica o sistema ortogonal fixo de dúas fases (α, β) nun sistema de referencia rotatorio d, q. A matriz de transformación é a seguinte:

Onde, θ é o ángulo entre o sistema de coordenadas rotatorio e o fixo.
Se consideramos o eixo d alineado co fluxo do rotor, a Figura 2 mostra a relación entre os dous marcos de referencia para o vector de corrente:

Onde, θ é a posición do fluxo do rotor. As compoñentes de torque e fluxo do vector de corrente determinanse polas seguintes ecuacións:

Estas compoñentes dependen das compoñentes do vector de corrente (α, β) e da posición do fluxo do rotor. Se se coñece a posición exacta do fluxo do rotor, entón, pola ecuación anterior, as compoñentes d, q poden calcularse facilmente. Neste instante, o torque pode controlarse directamente porque a compoñente de fluxo (isd) e a compoñente de torque (isq) son independentes agora.

Módulo Básico para o Control Orientado ao Campo

Medíanse as correntes das fases do estator. Estas correntes medidas alimentanse ao bloque de transformación de Clarke. As saídas desta proxección denominan isα e isβ. Estas dúas compoñentes da corrente entran no bloque de transformación de Park que proporciona a corrente no marco de referencia d, q. As compoñentes isd e isq contrastanse coas referencias: isdref (a referencia de fluxo) e isqref (a referencia de torque). Neste instante, a estrutura de control ten unha ventaxe: pódese usar para controlar maquinas síncronas ou de indución simplemente cambiando a referencia de fluxo e seguindo a posición do fluxo do rotor. No caso de PMSM, o fluxo do rotor está fixo, determinado polo imán, polo que non é necesario crear un. Polo tanto, ao controlar un PMSM, isdref debe ser igual a cero. Como os motores de indución necesitan a creación dun fluxo de rotor para funcionar, a referencia de fluxo non debe ser igual a cero. Isto elimina facilmente unha das principais debilidades das estruturas de control "clásicas": a portabilidade de unidades asíncronas a unidades síncronas. As saídas dos controladores PI son Vsdref e Vsqref. Aplicanse ao bloque de transformación inversa de Park. As saídas desta proxección son Vsαref e Vsβref que se alimentan ao algoritmo de modulación de ancho de pulso vectorial (SVPWM). As saídas deste bloque proporcionan sinais que controlan o inversor. Aquí, ambas as transformacións de Park e a inversa de Park necesitan a posición do fluxo do rotor. Polo tanto, a posición do fluxo do rotor é esencial no FOC.
A avaliación da posición do fluxo do rotor é diferente se consideramos o motor síncrono ou de indución.

1. No caso de motores síncronos, a velocidade do rotor é igual á velocidade do fluxo do rotor. Entón, a posición do fluxo do rotor determinase directamente pola posición do sensor ou pola integración da velocidade do rotor.

2. No caso de motores asíncronos, a velocidade do rotor non é igual á velocidade do fluxo do rotor debido ao deslizamento; polo tanto, usa-se