Orientacija na polje

Napetostni motorji z indukcijo ponujajo želene operacijske lastnosti, kot so trdota, zanesljivost in enostavnost krmiljenja. Široko se uporabljajo v različnih aplikacijah, od industrijskih sistemov za krmiljenje gibanja do gospodinjskih pripomočkov. Vendar je uporaba motorjev z indukcijo na najvišjo učinkovitost težka naloga zaradi njihovega kompleksnega matematičnega modela in nelinearnosti med nasycenostjo. Ti faktorji težave pri krmiljenju motorja z indukcijo povzročajo in zahtevajo uporabo visoko učinkovitih algoritmov krmiljenja, kot je vektorsko krmiljenje.

Uvod v usmerjeno krmiljenje po polju

Skalarno krmiljenje, kot je strategija "V/Hz", ima omejitve glede zmogljivosti. Skalarni način krmiljenja motorjev z indukcijo ustvarja oscilacije na ustvarjenem vrtljaku. Zato za boljšo dinamično zmogljivost potrebujemo boljšo shemo krmiljenja za motor z indukcijo. S matematičnimi možnostmi, ki jih ponujajo mikrokontrolerji, digitalni procesorji signala in FGPA, lahko implementiramo napredne strategije krmiljenja, da ločimo funkciji generiranja vrtljaka in magnetizacije v napetostnem motorju z indukcijo. To ločen vrtljak in magnetizacijski tok se običajno imenuje rotor Usmerjeno krmiljenje po polju (FOC).

Usmerjeno krmiljenje po polju opisuje način, kako je krmiljenje vrtljaka in hitrost neposredno temeljito na elektromagnetnem stanju motorja, podobno kot pri motorju z stalnim tokom. FOC je prva tehnologija, ki krmili "resnične" spremenljivke motorja, to je vrtljak in tok. S ločevanjem komponent statorskega toka (magnetizacijski tok in vrtljak), se lahko neodvisno krmili komponenta vrtljaka statorskega toka. Pri ločevanju krmiljenja, pri nizkih hitrostih, se lahko vzdržuje ustrezno stanje magnetizacije motorja, in vrtljak se lahko krmili, da uredi hitrost.
"FOC je bil izključno razvit za visokoučinkovite motornice, ki lahko gladko delujejo na širokem obsegu hitrosti, lahko ustvarja poln vrtljak pri ničelni hitrosti in je sposoben hitrega pospeševanja in upočasňevanja."

Delovanje usmerjenega krmiljenja po polju

Usmerjeno krmiljenje po polju sestavlja krmiljenje statorskih tokov, predstavljenih s vektorjem. To krmiljenje temelji na projekcijah, ki pretvarjajo trifazni časovno in hitrostno odvisni sistem v dva koordinatna (d in q okvir) časovno neodvisna sistema. Te transformacije in projekcije vodijo do strukture, podobne krmiljenju DC stroja. FOC stroji potrebujejo dva konstanti kot vhodne reference: komponenta vrtljaka (poravnana z q koordinato) in komponenta toka (poravnana z d koordinato).
Trofazne napetosti, tokovi in toki AC motorjev se lahko analizirajo v smislu kompleksnih prostorskih vektorjev. Če vzamemo ia, ib, ic kot trenutne tokove v fazah statorja, potem je definiran vektor statorskega tока kot sledi:

Kjer so (a, b, c) osi trofaznega sistema.

Ta tok prostorski vektor predstavlja trofazni sinusni sistem. Potreben je pretvorba v dva časovno neodvisna koordinatna sistema. Ta transformacija se lahko razdeli na dva koraka:
(a, b, c) → (α, β) (Clarkeova transformacija), ki da izhode dveh koordinatnega časovno odvisnega sistema.
(α, β) → (d, q) (Parkova transformacija), ki da izhode dveh koordinatnega časovno neodvisnega sistema.
Projekcija (a, b, c) → (α, β) (Clarkeova transformacija)
Trofazne količine, ali napetosti ali tokove, ki se spreminjajo v času vzdolž osi a, b in c, se lahko matematično preoblikujejo v dvofazne napetosti ali tokove, ki se spreminjajo v času vzdolž osi α in β z naslednjo transformacijsko matriko:

Če privzamemo, da je os a in os α v isti smeri, in β je pravokotna nanje, imamo naslednji vektorski diagram:

Zgoraj navedena projekcija spremeni trofazni sistem v (α, β) dvodimenzionalni pravokotni sistem, kot je navedeno spodaj:

Toda ti dva faza (α, β) tokov še vedno odvisni od časa in hitrosti.
Projekcija (α, β) → (d, q) (Parkova transformacija)
To je najpomembnejša transformacija v FOC. Ta projekcija spremeni dvofazni fiksni pravokotni sistem (α, β) v vrteči referenčni sistem d, q. Transformacijska matrika je podana spodaj:

Kjer je θ kot med vrtečim in fiksno koordinatnim sistemom.
Če upoštevate, da je os d poravnana z rotorjem toka, Slika 2 kaže odnos med dvema referenčnima okviroma za tok vektor:

Kjer je θ položaj rotorja toka. Komponenti vrtljaka in toka toka vektorja se določita z naslednjima enačbama:

Te komponente odvisne so od komponent vektorja (α, β) in položaja rotorja toka. Če poznaš točen položaj rotorja toka, lahko z zgornjo enačbo lahko enostavno izračunaš komponente d, q. V tem trenutku se lahko neposredno krmili vrtljak, ker so komponenta toka (isd) in komponenta vrtljaka (isq) zdaj neodvisni.

Osnovni modul za usmerjeno krmiljenje po polju

Merijo se faze statorskih tokov. Merjeni tokovi se vnesejo v blok Clarkeove transformacije. Izstopi te projekcije so označeni isα in isβ. Ti dve komponenti toka se vnesejo v blok Parkove transformacije, ki zagotavlja tok v d, q referenčnem okviru. Komponenti isd in isq se primerjata z referencami: isdref (referenca toka) in isqref (referenca vrtljaka). V tem trenutku ima kontrolna struktura prednost: se lahko uporablja za krmiljenje sinkronnih ali indukcijskih motorjev, tako da le spremenimo referenco toka in sledimo položaju rotorja toka. V primeru PMSM rotor toka je fiksen, določen s magneti, zato ni potrebe ga ustvariti. Zato, med krmiljenjem PMSM, bi moral biti isdref enak nič. Ker motorji z indukcijo potrebujejo ustvarjanje rotorja toka, da bi delovali, mora biti referenca toka neenaka nič. To enostavno odpravi eno od glavnih pomanjkljivosti "klasičnih" kontrolnih struktur: prenosnost od asinhronih na sinkronne pogone. Izhodi PI regulirnikov so Vsdref in Vsqref. Uporabljajo se v bloku obratne Parkove transformacije. Izhodi te projekcije so Vsαref in V