Feltretningsovervåking

AC-induktionsmotorer tilbyr beundringsverdige driftsegenskaper som robusthet, pålitelighet og enkel kontroll. De brukes omfattende i ulike applikasjoner, fra industrielle bevegelseskontrollsystemer til husholdningsapparater. Men å bruke induksjonsmotorer med høyest mulig effektivitet er en utfordring på grunn av deres komplekse matematiske modell og ikke-lineære egenskaper under mattsatning. Disse faktorene gjør kontrollen av induksjonsmotorer vanskelig og krever bruk av høyytelses kontrollalgoritmer som vektorregulering.

Introduksjon til feltorientert kontroll

Skalarregulering, som "V/Hz"-strategien, har sine begrensninger i forhold til ytelse. Skalarreguleringsmetoden for induksjonsmotorer genererer omsving i den produserte dreiemomentet. For å oppnå bedre dynamisk ytelse, trengs en mer overlegen kontrollstrategi for induksjonsmotorer. Med de matematiske prosesseringsmulighetene til mikrokontrollerer, digitale signalprosessorer og FGPA, kan avanserte kontrollstrategier implementeres for å koble løs dreiemomentgenerasjon og magnetiseringfunksjonene i en AC-induktionsmotor. Dette dekoblede dreiemoment og magnetiseringsfluks kalles vanligvis rotor Feltorientert Kontroll (FOC).

Feltorientert Kontroll beskriver måten kontrollen av dreiemoment og hastighet er direkte basert på den elektromagnetiske tilstanden til motoren, likt en DC-motor. FOC er den første teknologien som kontrollerer de "ekte" motorstyringsvariablene dreiemoment og fluks. Med dekobling mellom stator strøm komponentene (magnetiseringsfluks og dreiemoment), kan den dreiemomentproduserende komponenten av statorfluksen kontrolleres uavhengig. Ved lav hastighet, kan magnetiseringsstaten til motoren opprettholdes på riktig nivå, og dreiemomentet kan kontrolleres for å regulere hastigheten.
"FOC er utviklet spesielt for høyytelsesmotorapplikasjoner som kan operere jevnt over et bredt hastighetsområde, kan produsere full dreiemoment ved null hastighet, og er i stand til hurtig akselerasjon og deakselerasjon."

Arbeidsprinsipp for feltorientert kontroll

Kontrollen av statorstrømmene representeres ved en vektor i feltorientert kontroll. Denne kontrollen er basert på projeksjoner som transformerer et trefase tid- og hastighetsavhengig system til et tokoordinatsystem (d- og q-ramme) som er tiduavhengig. Disse transformasjonene og projeksjonene fører til en struktur lik DC-maskinkontroll. FOC-maskiner trenger to konstanter som inndatareferanser: dreiemomentkomponenten (justert med q-koordinatet) og flukskomponenten (justert med d-koordinatet).
De trefase spenningene, strømmer og fluksene i AC-motorer kan analyseres i form av komplekse romvektorer. Hvis vi tar ia, ib, ic som øyeblikksstrømmer i statorfasene, så defineres stator strøm vektoren som følger:

Der (a, b, c) er akser for trefasesystemet.

Denne strøm romvektor representerer det trefase sinusformede systemet. Den må transformeres til et todimensjonalt, tiduavhengig koordinatsystem. Denne transformasjonen kan deles inn i to trinn:
(a, b, c) → (α, β) (Clarke-transformasjonen), som gir utdata av et todimensjonalt, tidavhengig system.
(a, β) → (d, q) (Park-transformasjonen), som gir utdata av et todimensjonalt, tiduavhengig system.
(a, b, c) → (α, β) Projeksjon (Clarke-transformasjonen)
Trefase størrelser, enten spenninger eller strømmer, som varierer i tid langs akser a, b, og c, kan matematisk transformeres til todelfase spenninger eller strømmer, som varierer i tid langs akser α og β ved følgende transformasjonsmatrise:

Ved å anta at aksen a og aksen α ligger langs samme retning og β er ortogonal til dem, har vi følgende vektorgraf:

Denne projeksjonen endrer trefasesystemet til (α, β) todimensjonalt, ortogonalt system som følger:

Men disse todelfase (α, β) strømmer er fremdeles avhengige av tid og hastighet.
(α, β) → (d.q) projeksjon (Park-transformasjonen)
Dette er den viktigste transformasjonen i FOC. Denne projeksjonen endrer det todimensjonale, faste, ortogonale systemet (α, β) til d, q roterende referanse system. Transformasjonsmatrisen er gitt nedenfor:

Der θ er vinkelen mellom det roterende og det faste koordinatsystemet.
Hvis du betrakter d-aksen justert med rotorfluksen, viser figur 2 forholdet mellom de to referanseramme for strøm vektoren:

Der θ er rotors fluksposisjon. Dreiemoment- og flukskomponentene av strøm vektoren bestemmes av følgende ligninger:

Disse komponentene er avhengige av strømvektor (α, β) komponentene og rotors fluksposisjon. Hvis du kjenner den nøyaktige rotors fluksposisjonen, kan d- og q-komponentene lett beregnes ved hjelp av ovennevnte ligning. I dette øyeblikket kan dreiemomentet kontrolleres direkte fordi flukskomponenten (isd) og dreiemomentkomponenten (isq) er uavhengige nå.

Grunnleggende modul for feltorientert kontroll

Statorfasestrømmer måles. Disse målte strømmer sendes inn i Clarke-transformasjonsblokken. Utdataene fra denne projeksjonen er betegnet isα og isβ. Disse to komponentene av strømmen går inn i Park-transformasjonsblokken som gir strøm i d, q-referansekadre. Komponentene isd og isq settes i kontrast til referansene: isdref (fluksreferansen) og isqref (dreiemomentreferansen). I dette øyeblikket har kontrollstrukturen en fordel: den kan brukes til å styre både synkron- eller induksjonsmaskiner ved bare å endre fluksreferansen og spore rotors fluksposisjon. I tilfelle PMSM er rotors fluks fast bestemt av magneter, så det er ikke nødvendig å opprette en. Derfor, når man kontrollerer en PMSM, skal isdref være lik null. Siden induktionmotorer trenger opprettelse av rotors fluks for å fungere, må fluksreferansen ikke være lik null. Dette eliminerer lett en av de store svakhetene i "klassiske" kontrollstrukturer: portabilitet fra asynkron til synkron driv. Utdataene fra PI-regulatorer er V