Controllo Orientato al Campo

I motori asincroni offrono caratteristiche operative invidiabili come robustezza, affidabilità e facilità di controllo. Sono ampiamente utilizzati in varie applicazioni, dalle sistemi di controllo del movimento industriale agli elettrodomestici. Tuttavia, l'utilizzo dei motori asincroni con la massima efficienza è un compito difficile a causa del loro modello matematico complesso e della caratteristica non lineare durante la saturazione. Questi fattori rendono difficile il controllo del motore asincrono e richiedono l'uso di algoritmi di controllo ad alte prestazioni come il controllo vettoriale.

Introduzione al Controllo Orientato al Campo

Il controllo scalare, come la strategia "V/Hz", ha limiti in termini di prestazioni. Il metodo di controllo scalare per i motori asincroni genera oscillazioni sul momento prodotto. Pertanto, per ottenere una migliore performance dinamica, è necessario un schema di controllo superiore per il motore asincrono. Con le capacità di elaborazione matematica offerte dai microcontrollori, dai processori di segnale digitale e dagli FGPA, possono essere implementate strategie di controllo avanzate per decouplare la generazione del momento e le funzioni di magnetizzazione in un motore asincrono AC. Questo momento decoupled e flusso di magnetizzazione è comunemente chiamato controllo orientato al campo del rotore (FOC).

Controllo Orientato al Campo descrive il modo in cui il controllo del momento e della velocità si basa direttamente sullo stato elettromagnetico del motore, simile a un motore DC. FOC è la prima tecnologia a controllare le "vere" variabili di controllo del motore, ovvero momento e flusso. Con il decoupling tra i componenti di corrente dello statore (flusso di magnetizzazione e momento), il componente produttore di momento del flusso dello statore può essere controllato indipendentemente. Con il controllo decoupled, a bassa velocità, lo stato di magnetizzazione del motore può essere mantenuto al livello appropriato, e il momento può essere controllato per regolare la velocità.
"FOC è stato sviluppato esclusivamente per applicazioni di motore ad alte prestazioni che possono operare in modo fluido su un ampio intervallo di velocità, possono produrre pieno momento a velocità zero e sono in grado di accelerazione e decelerazione rapide."

Principio di Funzionamento del Controllo Orientato al Campo

Il controllo orientato al campo consiste nel controllare le correnti dello statore rappresentate da un vettore. Questo controllo si basa su proiezioni che trasformano un sistema trifase dipendente dal tempo e dalla velocità in un sistema bidimensionale (quadro d e q) invariante nel tempo. Queste trasformazioni e proiezioni portano a una struttura simile a quella del controllo di un motore DC. Le macchine FOC richiedono due costanti come riferimenti di ingresso: il componente di momento (allineato con la coordinata q) e il componente di flusso (allineato con la coordinata d).
I tre voltaggi, correnti e flussi dei motori AC possono essere analizzati in termini di vettori spaziali complessi. Se consideriamo ia, ib, ic come correnti istantanee nelle fasi dello statore, allora il vettore di corrente dello statore è definito come segue:

Dove, (a, b, c) sono gli assi del sistema trifase.

Questo vettore di corrente spaziale rappresenta il sistema sinusoidale trifase. Deve essere trasformato in un sistema di coordinate bidimensionali invarianti nel tempo. Questa trasformazione può essere divisa in due passaggi:
(a, b, c) → (α, β) (la trasformazione di Clarke), che fornisce output di un sistema bidimensionale varianti nel tempo.
(a, β) → (d, q) (la trasformazione di Park), che fornisce output di un sistema bidimensionale invarianti nel tempo.
La proiezione (a, b, c) → (α, β) (trasformazione di Clarke)
Le grandezze trifase, sia voltage che correnti, variabili nel tempo lungo gli assi a, b e c, possono essere trasformate matematicamente in tensioni o correnti bifasi, variabili nel tempo lungo gli assi α e β, mediante la seguente matrice di trasformazione:

Assumendo che l'asse a e l'asse α siano nella stessa direzione e β sia ortogonale a essi, abbiamo il seguente diagramma vettoriale:

La proiezione sopra menzionata modifica il sistema trifase nel sistema bidimensionale ortogonale (α, β) come segue:

Ma queste due correnti (α, β) dipendono ancora dal tempo e dalla velocità.
La proiezione (α, β) → (d.q) (trasformazione di Park)
Questa è la trasformazione più importante nell'FOC. In effetti, questa proiezione modifica il sistema bidimensionale fisso ortogonale (α, β) in un sistema di riferimento rotante d, q. La matrice di trasformazione è la seguente:

Dove, θ è l'angolo tra il sistema di riferimento rotante e quello fisso.
Se si considera l'asse d allineato con il flusso del rotore, la Figura 2 mostra la relazione tra i due sistemi di riferimento per il vettore di corrente:

Dove, θ è la posizione del flusso del rotore. I componenti di momento e flusso del vettore di corrente sono determinati dalle seguenti equazioni:

Questi componenti dipendono dai componenti del vettore di corrente (α, β) e dalla posizione del flusso del rotore. Se si conosce con precisione la posizione del flusso del rotore, allora, con l'equazione sopra, i componenti d, q possono essere facilmente calcolati. In questo istante, il momento può essere controllato direttamente perché i componenti di flusso (isd) e momento (isq) sono ora indipendenti.

Modulo di Base per il Controllo Orientato al Campo

Le correnti delle fasi dello statore vengono misurate. Queste correnti misurate vengono alimentate nel blocco di trasformazione di Clarke. Gli output di questa proiezione sono denominati isα e isβ. Questi due componenti della corrente entrano nel blocco di trasformazione di Park che fornisce la corrente nel quadro di riferimento d, q. I componenti isd e isq sono confrontati con i riferimenti: isdref (il riferimento di flusso) e isqref (il riferimento di momento). In questo istante, la struttura di controllo ha un vantaggio: può essere utilizzata per controllare sia macchine sincrone che asincrone semplicemente cambiando il riferimento di flusso e tracciando la posizione del flusso del rotore. Nel caso di PMSM, il flusso del rotore è fisso, determinato dai magneti, quindi non è necessario crearne uno. Pertanto, mentre si controlla un PMSM, isdref dovrebbe essere uguale a zero. Poiché i motori asincroni hanno bisogno di una creazione del flusso del rotore per poter funzionare, il riferimento di flusso non deve essere uguale a zero. Questo elimina facilmente uno dei principali difetti delle strutture di controllo "classiche": la portabilità dai drives asincroni a quelli sincroni. Gli output dei controller PI sono Vsdref e Vsqref. Vengono applicati al blocco di trasformazione inversa di Park. Gli output di questa proiezione sono Vsαref e Vsβref che vengono alimentati al blocco dell'algoritmo di modulazione di larghezza di impulso vettoriale (SVPWM). Gli output di questo blocco forniscono segnali che pilotano l'inverter. Qui, entrambe le trasformazioni di Park e inverse di Park richiedono la posizione del flusso del rotore. Quindi, la posizione del flusso del rotore è essenziale per l'FOC.
La valutazione della posizione del flusso del rotore è diversa se consideriamo il motore sincrono o asincrono.

1. Nel caso di motori sincroni, la velocità