Orientacja na pole

Asynchroniczne silniki indukcyjne oferują pożądane cechy eksploatacji, takie jak solidność, niezawodność i łatwość sterowania. Są szeroko stosowane w różnych zastosowaniach, od systemów sterowania ruchem przemysłowym po urządzenia domowe. Jednak wykorzystanie silników indukcyjnych z najwyższą efektywnością jest trudnym zadaniem ze względu na ich skomplikowany model matematyczny i nieliniową charakterystykę podczas nasycenia. Te czynniki utrudniają sterowanie silnikiem indukcyjnym i wymagają zastosowania wysokowydajnych algorytmów sterowania, takich jak sterowanie wektorowe.

Wprowadzenie do sterowania zorientowanego na pole

Skalarny sposób sterowania, taki jak strategia „V/Hz”, ma swoje ograniczenia pod względem wydajności. Metoda skalarna sterowania silnikami indukcyjnymi powoduje oscylacje momentu obrotowego. Aby osiągnąć lepszą dynamiczną wydajność, potrzebna jest bardziej zaawansowana metoda sterowania dla silnika indukcyjnego. Dzięki możliwościom matematycznego przetwarzania oferowanym przez mikrokontrolery, procesory sygnałów cyfrowych i FGPA, mogą być zaimplementowane zaawansowane strategie sterowania, które dekupują funkcje generowania momentu obrotowego i magnetyzacji w asynchronicznym silniku indukcyjnym. Ta dekupowana moment i strumień magnetyczny jest powszechnie nazywany rotorowym Sterowaniem Zorientowanym na Pole (FOC).

Sterowanie zorientowane na pole opisuje sposób, w jaki sterowanie momentem obrotowym i prędkością jest bezpośrednio oparte na elektromagnetycznym stanie silnika, podobnie jak w przypadku silnika prądu stałego. FOC to pierwsza technologia umożliwiająca sterowanie „rzeczywistymi” zmiennymi sterowania silnika, takimi jak moment obrotowy i strumień magnetyczny. Dzięki dekupowaniu między składowymi prądu statora (strumień magnetyczny i moment), można niezależnie kontrolować składową momentu obrotowego strumienia statora. W niskich prędkościach, stan magnetyzacji silnika może być utrzymywany na odpowiednim poziomie, a moment może być kontrolowany, aby regulować prędkość.
„FOC zostało opracowane wyłącznie dla wysokowydajnych zastosowań silników, które mogą działać płynnie w szerokim zakresie prędkości, mogą produkować pełny moment przy zerowej prędkości i są zdolne do szybkiego przyspieszania i hamowania.”

Zasada działania sterowania zorientowanego na pole

Sterowanie zorientowane na pole polega na sterowaniu prądami statora reprezentowanymi przez wektor. To sterowanie opiera się na projekcjach, które transformują układ trójfazowy zależny od czasu i prędkości w układ dwuwspółrzędny (ramki d i q) niezależny od czasu. Te transformacje i projekcje prowadzą do struktury podobnej do sterowania silnikiem prądu stałego. Maszyny FOC wymagają dwóch stałych jako referencji wejściowych: składowej momentu (wyrównanej z współrzędną q) i składowej strumienia magnetycznego (wyrównanej z współrzędną d).
Napięcia, prądy i strumienie magnetyczne silników trójfazowych mogą być analizowane w terminach wektorów przestrzeni zespolonej. Jeśli weźmiemy ia, ib, ic jako natychmiastowe prądy w fazach statora, to wektor prądu statora jest zdefiniowany następująco:

Gdzie, (a, b, c) są osiami układu trójfazowego.

Ten wektor prądu przestrzeni reprezentuje sinusoidalny system trójfazowy. Musi zostać przetransformowany w układ współrzędnych niezmiennych w czasie. Ta transformacja może być podzielona na dwa kroki:
(a, b, c) → (α, β) (transformacja Clarke'a), która daje wyniki układu współrzędnych dwuwymiarowego zmiennego w czasie.
(a, β) → (d, q) (transformacja Parka), która daje wyniki układu współrzędnych dwuwymiarowego niezmiennego w czasie.
Transformacja (a, b, c) → (α, β) (transformacja Clarke'a)
Ilości trójfazowe, czyli napięcia lub prądy, zmieniające się w czasie wzdłuż osi a, b i c, mogą być matematycznie przekształcone w dwufazowe napięcia lub prądy, zmieniające się w czasie wzdłuż osi α i β, za pomocą następującej macierzy transformacji:

Zakładając, że oś a i oś α są w tym samym kierunku, a β jest im prostopadła, mamy następujący diagram wektorowy:

Powyższa projekcja modyfikuje system trójfazowy w układ (α, β) dwuwymiarowy ortogonalny, jak podano poniżej:

Ale te dwufazowe (α, β) prądy nadal zależą od czasu i prędkości.
Transformacja (α, β) → (d.q) (transformacja Parka)
To jest najważniejsza transformacja w FOC. W rzeczywistości ta projekcja modyfikuje stały układ ortogonalny dwufazowy (α, β) w obracający się układ odniesienia d, q. Macierz transformacji przedstawiona jest poniżej:

Gdzie, θ to kąt między obracającym się i stałą układem odniesienia.
Jeśli założymy, że oś d jest wyrównana z strumieniem magnetycznym rotora, Rysunek 2 pokazuje relację między dwoma ramkami odniesienia dla wektora prądu:

Gdzie, θ to pozycja strumienia magnetycznego rotora. Składowe momentu i strumienia magnetycznego wektora prądu są określone przez następujące równania:

Te składowe zależą od składowych wektora prądu (α, β) i pozycji strumienia magnetycznego rotora. Jeśli znasz dokładną pozycję strumienia magnetycznego rotora, to według powyższego równania, składowe d, q mogą być łatwo obliczone. W tym momencie, moment może być bezpośrednio kontrolowany, ponieważ składowa strumienia (isd) i składowa momentu (isq) są teraz niezależne.

Podstawowy moduł sterowania zorientowanego na pole

Mierzony jest prąd faz statora. Te zmierzone prądy są podawane do bloku transformacji Clarke'a. Wyjścia tej projekcji noszą nazwy isα i isβ. Te dwie składowe prądu wchodzą do bloku transformacji Parka, który dostarcza prąd w ramce odniesienia d, q. Składowe isd i isq są porównywane z referencjami: isdref (referencja strumienia magnetycznego) i isqref (referencja momentu). W tym momencie, struktura sterowania ma przewagę: może być użyta do sterowania zarówno silnikami synchronicznymi, jak i indukcyjnymi, poprzez prostą zmianę referencji strumienia magnetycznego i śledzenie pozycji strumienia magnetycznego rotora. W przypadku PMSM strumień magnetyczny rotora jest ustalony przez magnesy, więc nie ma potrzeby go tworzyć. Dlatego, podczas sterowania PMSM, isdref powinno być równe zero. Ponieważ silniki indukcyjne wymagają tworzenia strumienia magnetycznego rotora, aby mogły działać, referencja strumienia magnetycznego nie może być równa zero. To łatwo eliminuje jedno z głównych ograniczeń „klasycznych” struktur sterowania: przenośność z napędów asynchronicznych na synchroniczne. Wyjścia regulatorów PI to Vsdref i Vsqref. Są one podawane do bloku odwrotnej transformacji Parka. Wyjścia tej projekcji to Vsαref i Vsβref są podawane do bloku algorytmu modulacji szerokości impulsów wektorowych (SVPWM). Wyjścia tego bloku dostarczają sygnały sterujące inwerterem. Tutaj zarówno transformacja Parka, jak i odwrotna transformacja Parka wymagają pozycji strumienia magnetycznego rotora. Dlatego pozycja strumienia magnetycznego rotora jest istotna dla FOC.
Ocena pozycji strumienia magnetycznego rotora jest inna, jeśli rozważamy silnik synchroniczny lub indukcyjny.