Ориентированное на поле управление

Асинхронные электродвигатели обладают завидными эксплуатационными характеристиками, такими как надежность, долговечность и простота управления. Они широко используются в различных приложениях, от систем промышленного управления движением до бытовых приборов. Однако использование асинхронных двигателей с максимальной эффективностью является сложной задачей из-за их сложной математической модели и нелинейных характеристик при насыщении. Эти факторы усложняют управление асинхронным двигателем и требуют применения высокопроизводительных алгоритмов управления, таких как векторное управление.

Введение в ориентированное на поле управление

Скалярное управление, такое как стратегия "V/Hz", имеет свои ограничения по производительности. Метод скалярного управления для асинхронных двигателей вызывает колебания создаваемого момента. Поэтому для достижения лучшей динамической производительности требуется более совершенная схема управления для асинхронного двигателя. С использованием математических возможностей, предлагаемых микроконтроллерами, цифровыми сигнальными процессорами и FPGA, можно реализовать продвинутые методы управления, чтобы разделить функции создания момента и намагничивания в асинхронном двигателе. Это разделенный момент и поток намагничивания обычно называют роторным ориентированным на поле управлением (FOC).

Ориентированное на поле управление описывает способ, которым управление моментом и скоростью напрямую основано на электромагнитном состоянии двигателя, подобно дальнего двигателя. FOC - это первая технология, которая контролирует "реальные" переменные управления двигателем, такие как момент и поток. С разделением между компонентами статорного тока (потоком намагничивания и моментом), можно независимо управлять компонентом момента статорного потока. При разделенном управлении на низких скоростях состояние намагничивания двигателя можно поддерживать на соответствующем уровне, а момент можно контролировать для регулирования скорости.
"FOC разработан исключительно для высокопроизводительных применений двигателей, которые могут работать плавно в широком диапазоне скоростей, могут создавать полный момент на нулевой скорости и способны быстро ускоряться и замедляться."

Принцип работы ориентированного на поле управления

Ориентированное на поле управление состоит в управлении статорными токами, представленными вектором. Это управление основано на проекциях, которые преобразуют трехфазную систему, зависящую от времени и скорости, в двухкоординатную (d и q оси) систему, не зависящую от времени. Эти преобразования и проекции приводят к структуре, похожей на управление дальнего двигателя. Машины с FOC требуют два постоянных входных значения: компонент момента (выровненный с q координатой) и компонент потока (выровненный с d координатой).
Трехфазные напряжения, токи и потоки асинхронных двигателей можно анализировать в терминах комплексных векторов пространства. Если взять ia, ib, ic как мгновенные токи в фазах статора, то вектор статорного тока определяется следующим образом:

Где, (a, b, c) - оси трехфазной системы.

Этот вектор тока пространства представляет собой трехфазную синусоидальную систему. Его необходимо преобразовать в двухкоординатную систему, не зависящую от времени. Это преобразование можно разделить на два шага:
(a, b, c) → (α, β) (преобразование Кларка), которое дает выход двухкоординатной системы, зависящей от времени.
(a, β) → (d, q) (преобразование Парка), которое дает выход двухкоординатной системы, не зависящей от времени.
Преобразование (a, b, c) → (α, β) (преобразование Кларка)
Трехфазные величины, будь то напряжения или токи, изменяющиеся во времени вдоль осей a, b и c, можно математически преобразовать в двухфазные напряжения или токи, изменяющиеся во времени вдоль осей α и β, с помощью следующей матрицы преобразования:

Предполагая, что ось a и ось α находятся в одном направлении, а β перпендикулярна им, мы имеем следующую векторную диаграмму:

Вышеупомянутое проектирование модифицирует трехфазную систему в (α, β) двухмерную ортогональную систему, как указано ниже:

Но эти двухфазные (α, β) токи все еще зависят от времени и скорости.
Преобразование (α, β) → (d, q) (преобразование Парка)
Это самое важное преобразование в FOC. В действительности, это проектирование модифицирует двухфазную неподвижную ортогональную систему (α, β) в d, q вращающуюся систему координат. Матрица преобразования приведена ниже:

Где, θ - угол между вращающейся и неподвижной системами координат.
Если вы считаете, что ось d выровнена с потоком ротора, Рисунок 2 показывает соотношение между двумя системами координат для вектора тока:

Где, θ - положение потока ротора. Компоненты момента и потока вектора тока определяются следующими уравнениями:

Эти компоненты зависят от вектора тока (α, β) и от положения потока ротора. Если известно точное положение потока ротора, то, используя вышеуказанное уравнение, компоненты d, q можно легко рассчитать. В этот момент момент можно напрямую контролировать, так как компонент потока (isd) и компонент момента (isq) теперь независимы.

Основной модуль для ориентированного на поле управления

Измеряются фазные токи статора. Эти измеренные токи подаются в блок преобразования Кларка. Выходы этого проектирования называются isα и isβ. Эти два компонента тока входят в блок преобразования Парка, который предоставляет ток в d, q системе координат. Компоненты isd и isq сравниваются с эталонами: isdref (эталон потока) и isqref (эталон момента). В этот момент структура управления имеет преимущество: она может быть использована для управления как синхронными, так и асинхронными машинами, просто меняя эталон потока и отслеживая положение потока ротора. В случае PMSM поток ротора фиксирован, определен магнитами, поэтому нет необходимости его создавать. Таким образом, при управлении PMSM, isdref должно быть равно нулю. Поскольку асинхронные двигатели требуют создания потока ротора для работы, эталон потока не должен быть равен нулю. Это легко устраняет одно из основных недостатков "классических" структур управления: переносимость от асинхронных к синхронным приводам. Выходы PI-регуляторов Vsdref и Vsqref применяются к блоку обратного преобразования Парка. Выходы этого проектирования Vsαref и Vsβref подаются в блок алгоритма пространственно-векторной широтно-импульсной модуляции (SVPWM). Выходы этого блока предоставляют сигналы, управляющие инвертором. Здесь и прямое, и обратное преобразования Парка требуют положения потока ротора. Таким образом, положение потока ротора является сутью FOC.
Оценка положения потока ротора различается, если мы рассматриваем синхронный или асинхронный двигатель.

1. В случае синхронного(ых) двигателя(ей), скорость ротора равна скорости потока ротора. Тогда положение потока ротора прямо определяется датчиком положения или интегрированием скорости ротора.

2. В случае асинхронного(ых) двигателя(ей), скорость ротора не равна скорости потока ротора из-за сколь