Orijentirano upravljanje poljem

AC indukcijski motori nude zavidne operativne karakteristike poput otpornosti, pouzdanosti i lakoće u upravljanju. Oni se široko koriste u raznim primjenama, od industrijskih sustava za kontrolu gibanja do kućanskih uređaja. Međutim, korištenje indukcijskih motora na najvećoj učinkovitosti predstavlja izazov zbog njihovog složenog matematičkog modela i nelinearnog ponašanja tijekom nasycenja. Ovi faktori čine kontrolu indukcijskog motora teškom i zahtijevaju korištenje visokoperformantnih algoritama kontrole, poput vektorske kontrole.

Uvod u upravljanje orijentirano na polje

Skalarna kontrola, kao što je "V/Hz" strategija, ima svoje ograničenje u pogledu performansi. Skalarna metoda kontrole za indukcijske motive generira oscilacije na proizvedenom momentu. Stoga, kako bi se postigla bolja dinamička performansa, potreban je nadmoćniji sustav kontrole za indukcijski motor. S matematičkim procesorskim sposobnostima koje pružaju mikrokontroleri, digitalni signali procesora i FGPA, mogu se implementirati napredne strategije kontrole kako bi se dekuplirale funkcije generiranja momenata i magnetizacije u AC indukcijskom motoru. Ova dekuplirana sila i magnetno strujanje često se nazivaju rotor Orijentirano upravljanje poljem (FOC).

Orijentirano upravljanje poljem opisuje način na koji su kontrola momenata i brzine direktno temeljene na elektromagnetskom stanju motora, slično DC motoru. FOC je prva tehnologija koja kontrolira "prave" varijable upravljanja motorom, momenata i strujanja. S dekupliranjem između komponenti stator strujanja (magnetizacija i moment), može se nezavisno kontrolirati komponenta momenata stator strujanja. Dekuplirana kontrola, na niskim brzinama, stanje magnetizacije motora može se održavati na odgovarajućem nivou, a moment se može kontrolirati kako bi se regulirala brzina.
"FOC je razvijena isključivo za visokoperformantne motore koji mogu gladko raditi na širokom rasponu brzina, mogu proizvesti puni moment na nuli brzine i sposobni su brzog ubrzavanja i usporavanja."

Načelo rada orijentiranog upravljanja poljem

Upravljanje orijentirano na polje sastoji se u kontroli stator strujanja predstavljene vektorom. Ova kontrola temelji se na projekcijama koje transformiraju trofazni sustav ovisan o vremenu i brzini u dvodimenzionalni (d i q okvir) vremenski invarijantni sustav. Te transformacije i projekcije dovode do strukture slične onoj DC mašine. FOC mašine trebaju dva konstantna ulazna referentna: komponenta momenta (poravnata s q koordinatom) i komponenta strujanja (poravnata s d koordinatom).
Trofazni naponi, strujanja i strujanja AC motora mogu se analizirati u smislu kompleksnih prostornih vektora. Ako uzimamo ia, ib, ic kao trenutna strujanja u fazama statora, tada se definira vektor stator strujanja sljedećim:

Gdje, (a, b, c) su osi trofaznog sustava.

Ovaj vektor strujanja predstavlja trofazni sinusni sustav. Treba ga transformirati u dvodimenzionalni vremenski invarijantni sustav. Ova transformacija može se podijeliti u dva koraka:
(a, b, c) → (α, β) (Clarkeova transformacija), koja daje izlaze dvodimenzionalnog vremenski varijabilnog sustava.
(a, β) → (d, q) (Parkova transformacija), koja daje izlaze dvodimenzionalnog vremenski invarijantnog sustava.
(a, b, c) → (α, β) Projekcija (Clarkeova transformacija)
Trofazne veličine, budući da su to ili naponi ili strujanja, variraju u vremenu duž osi a, b i c, mogu se matematički transformirati u dvofazne naponi ili strujanja, varirajući u vremenu duž osi α i β sljedećom transformacijskom matricom:

Pretpostavljajući da su osi a i α iste smjerove, a β je ortogonalna im, imamo sljedeći vektorski dijagram:

Ova projekcija mijenja trofazni sustav u (α, β) dvodimenzionalni ortogonalni sustav kako je navedeno u nastavku:

Ali ove dvofazne (α, β) strujanje još uvijek ovisi o vremenu i brzini.
(α, β) → (d.q) projekcija (Parkova transformacija)
Ovo je najvažnija transformacija u FOC-u. U stvari, ova projekcija mijenja dvofazni fiksni ortogonalni sustav (α, β) u d, q rotirajući referentni sustav. Transformacijska matrica dana je u nastavku:

Gdje, θ je kut između rotirajućeg i fiksnog koordinatnog sustava.
Ako se d os posmatra kao poravnata s rotor strujanjem, Slika 2 pokazuje odnos između dva referentna okvira za vektor strujanja:

Gdje, θ je pozicija rotor strujanja. Komponente momenta i strujanja vektora strujanja određuju se sljedećim jednadžbama:

Te komponente ovisi o komponentama vektora strujanja (α, β) i poziciji rotor strujanja. Ako znate točnu poziciju rotor strujanja, tada se d i q komponente mogu lako izračunati prema gore navedenoj jednadžbi. U tom trenutku, moment se može direktno kontrolirati jer su komponenta strujanja (isd) i komponenta momenta (isq) sada neovisne.

Osnovni modul za orijentirano upravljanje poljem

Mjeri se faza strujanja statora. Ove mjerene strujanje se unose u blok Clarkeove transformacije. Izlazi ove projekcije nazivaju se isα i isβ. Ove dvije komponente strujanja unose se u blok Parkove transformacije koji daje strujanje u d, q referentnom okviru. Komponente isd i isq uspoređuju se s referencama: isdref (referentna strujanja) i isqref (referentni moment). U tom trenutku, struktura kontrole ima prednost: može se koristiti za kontrolu sinkronnih ili indukcijskih motora samo promjenom referentne strujanja i praćenjem pozicije rotor strujanja. U slučaju PMSM-a, rotor strujanje je fiksno određeno magnetskim materijalima, tako da nije potrebno stvoriti jedan. Stoga, dok se kontrolira PMSM, isdref trebao bi biti jednak nuli. Budući da indukcijski motori zahtijevaju stvaranje rotor strujanja kako bi radili, referentna strujanja ne smije biti jednaka nuli. To lako eliminira jednu od glavnih nedostataka "klasičnih" struktura kontrole: portabilnost od asinkronih na sinkrona pogonska rešenja. Izlazi PI kontrolera su Vsdref i Vsqref. Primjenjuju se na blok inverzne Parkove transformacije. Izlazi ove projekcije su Vsαref i Vsβref koja se unose u algoritam prostorne vektorske pulsne širine modulacije (SVPWM). Izlazi ovog bloka daju signale koji upravljaju inverterom. Ovdje i Parkova i inverzna Parkova transformacija zahtijevaju poziciju rotor strujanja. Stoga je pozicija rotor strujanja ključna za FOC.
Procjena pozicije