การควบคุมตามทิศทางสนาม
มอเตอร์เหนี่ยวนำ AC มีลักษณะการทำงานที่น่าประทับใจ เช่น ความแข็งแกร่ง ความน่าเชื่อถือ และความง่ายในการควบคุม ได้รับการใช้งานอย่างกว้างขวางในหลากหลายแอปพลิเคชันตั้งแต่ระบบควบคุมการเคลื่อนไหวทางอุตสาหกรรมไปจนถึงเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้าน อย่างไรก็ตาม การใช้มอเตอร์เหนี่ยวนำให้ทำงานด้วยประสิทธิภาพสูงสุดเป็นงานที่ยากเนื่องจากโมเดลทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนและลักษณะไม่เชิงเส้นระหว่างการอิ่มตัว ปัจจัยเหล่านี้ทำให้การควบคุมมอเตอร์เหนี่ยวนำยากและจำเป็นต้องใช้อัลกอริธึมควบคุมประสิทธิภาพสูง เช่น การควบคุมเวกเตอร์
บทนำเกี่ยวกับการควบคุมที่มุ่งเน้นสนาม
การควบคุมแบบสเกลาร์ เช่น วิธี "V/Hz" มีข้อจำกัดในเรื่องประสิทธิภาพ การควบคุมแบบสเกลาร์สำหรับมอเตอร์เหนี่ยวนำสร้างแรงบิดที่มีการสั่นสะเทือน ดังนั้นเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการตอบสนองที่ดีขึ้น จะต้องใช้วิธีการควบคุมที่ดีกว่าสำหรับมอเตอร์เหนี่ยวนำ ด้วยความสามารถในการประมวลผลทางคณิตศาสตร์ของไมโครคอนโทรลเลอร์ โปรเซสเซอร์สัญญาณดิจิทัล และ FGPA สามารถใช้กลยุทธ์การควบคุมขั้นสูงเพื่อแยกแรงบิดและการแม่เหล็กในมอเตอร์เหนี่ยวนำ AC ออก แรงบิดและฟลักซ์แม่เหล็กที่ถูกแยกออกจากกันนี้มักจะเรียกว่าการควบคุมที่มุ่งเน้นสนาม (FOC)
การควบคุมที่มุ่งเน้นสนาม เป็นวิธีการควบคุมแรงบิดและความเร็วด้วยการพิจารณาสถานะแม่เหล็กของมอเตอร์ คล้ายกับมอเตอร์ DC FOC เป็นเทคโนโลยีแรกที่ควบคุมตัวแปรการควบคุมมอเตอร์จริง ๆ คือแรงบิดและฟลักซ์ โดยการแยกส่วนกระแสสเตเตอร์ (ฟลักซ์แม่เหล็กและแรงบิด) สามารถควบคุมส่วนที่สร้างแรงบิดของฟลักซ์สเตเตอร์ได้อย่างอิสระ ในขณะที่ควบคุมอย่างอิสระ ที่ความเร็วต่ำ สถานะการแม่เหล็กของมอเตอร์สามารถรักษาไว้ที่ระดับที่เหมาะสม และแรงบิดสามารถควบคุมเพื่อปรับความเร็วได้
“FOC ได้รับการพัฒนาเฉพาะสำหรับแอปพลิเคชันมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงที่สามารถทำงานอย่างราบรื่นในช่วงความเร็วที่กว้าง สามารถสร้างแรงบิดเต็มที่ที่ความเร็วศูนย์ และสามารถเร่งความเร็วและลดความเร็วได้รวดเร็ว”
หลักการทำงานของการควบคุมที่มุ่งเน้นสนาม
การควบคุมที่มุ่งเน้นสนามประกอบด้วยการควบคุมกระแสสเตเตอร์โดยใช้เวกเตอร์ การควบคุมนี้อาศัยการแปลงที่เปลี่ยนระบบสามเฟสที่ขึ้นอยู่กับเวลาและความเร็วเป็นระบบสองแกน (d และ q frame) ที่ไม่ขึ้นอยู่กับเวลา การแปลงและการฉายเหล่านี้นำไปสู่โครงสร้างที่คล้ายกับการควบคุมมอเตอร์ DC FOC ต้องการค่าคงที่สองค่าเป็นอินพุตอ้างอิง: ส่วนแรงบิด (ตรงกับแกน q) และส่วนฟลักซ์ (ตรงกับแกน d)
แรงดัน กระแส และฟลักซ์ของมอเตอร์ AC สามเฟสสามารถวิเคราะห์ได้ในรูปของเวกเตอร์พื้นที่ที่ซับซ้อน หากเราใช้ ia, ib, ic เป็นกระแสทันทีในเฟสสเตเตอร์ แล้วเวกเตอร์กระแสสเตเตอร์จะถูกกำหนดดังนี้:
เมื่อ (a, b, c) คือแกนของระบบสามเฟส
เวกเตอร์พื้นที่กระแสนี้แทนระบบสามเฟสที่เป็นไซนัส จำเป็นต้องแปลงเป็นระบบสองแกนที่ไม่ขึ้นอยู่กับเวลา การแปลงนี้สามารถแบ่งออกเป็นสองขั้นตอน:
(a, b, c) → (α, β) (การแปลง Clarke) ซึ่งให้เอาต์พุตของระบบสองแกนที่ขึ้นอยู่กับเวลา
(α, β) → (d, q) (การแปลง Park) ซึ่งให้เอาต์พุตของระบบสองแกนที่ไม่ขึ้นอยู่กับเวลา
การแปลง (a, b, c) → (α, β) (การแปลง Clarke)
ปริมาณสามเฟส ไม่ว่าจะเป็นแรงดันหรือกระแส ที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาบนแกน a, b, และ c สามารถแปลงทางคณิตศาสตร์เป็นแรงดันหรือกระแสสองเฟสที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาบนแกน α และ β โดยใช้เมทริกซ์การแปลงดังนี้:
โดยสมมติว่าแกน a และแกน α อยู่ในทิศทางเดียวกัน และ β ตั้งฉากกับพวกเขา เราจะได้แผนภาพเวกเตอร์ดังนี้:
การแปลงนี้เปลี่ยนระบบสามเฟสเป็นระบบสองมิติที่ตั้งฉาก (α, β) ดังที่ระบุด้านล่าง:
แต่กระแสสองเฟส (α, β) ยังคงขึ้นอยู่กับเวลาและความเร็ว
การแปลง (α, β) → (d, q) (การแปลง Park)
นี่คือการแปลงที่สำคัญที่สุดใน FOC การแปลงนี้เปลี่ยนระบบสองแกนที่ตั้งอยู่ (α, β) เป็นระบบหมุน d, q เมทริกซ์การแปลงแสดงดังนี้:
เมื่อ θ คือมุมระหว่างระบบพิกัดหมุนและระบบพิกัดคงที่
หากคุณพิจารณาแกน d ตรงกับฟลักซ์โรเตอร์ รูปที่ 2 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างสองเฟรมอ้างอิงสำหรับเวกเตอร์กระแส:
เมื่อ θ คือตำแหน่งฟลักซ์โรเตอร์ ส่วนแรงบิดและฟลักซ์ของเวกเตอร์กระแสจะถูกกำหนดโดยสมการดังนี้:
ส่วนเหล่านี้ขึ้นอยู่กับส่วนของเวกเตอร์กระแส (α, β) และตำแหน่งฟลักซ์โรเตอร์ ถ้าคุณทราบตำแหน่งฟลักซ์โรเตอร์อย่างแม่นยำ ด้วยสมการดังกล่าว ส่วน d, q สามารถคำนวณได้ง่าย ณ จุดนี้ แรงบิดสามารถควบคุมได้โดยตรงเพราะส่วนฟลักซ์ (isd) และส่วนแรงบิด (isq) แยกจากกันแล้ว
โมดูลพื้นฐานสำหรับการควบคุมที่มุ่งเน้นสนาม
กระแสเฟสสเตเตอร์ถูกวัด กระแสที่วัดได้นี้ถูกป้อนเข้าสู่บล็อกการแปลง Clarke ผลลัพธ์จากการแปลงนี้เรียกว่า isα และ isβ ส่วนกระแสสองส่วนนี้เข้าสู่บล็อกการแปลง Park ที่ให้กระแสในเฟรมอ้างอิง d, q ส่วน isd และ isq ถูกเทียบกับอ้างอิง: isdref (อ้างอิงฟลักซ์) และ isqref (อ้างอิงแรงบิด) ณ จุดนี้ โครงสร้างการควบคุมมีข้อได้เปรียบ: สามารถใช้ควบคุมมอเตอร์ซิงโครนัสหรือมอเตอร์เหนี่ยวนำได้โดยการเปลี่ยนอ้างอิงฟลักซ์และติดตามตำแหน่งฟลักซ์โรเตอร์ ในกรณีของ PMSM ฟลักซ์โรเตอร์ถูกกำหนดโดยแม่เหล็ก ดังนั้นไม่จำเป็นต้องสร้าง ดังนั้น ในการควบคุม PMSM, isdref ควรเท่ากับศูนย์ เนื่องจากมอเตอร์เหนี่ยวนำต้องการการสร้างฟลักซ์โรเตอร์เพื่อทำงาน อ้างอิงฟลักซ์ไม่ควรเท่ากับศูนย์ นี่ช่วยกำจัดข้อเสียหนึ่งของโครงสร้างการควบคุมแบบ "คลาสสิก": การย้ายจากเครื่องขับเคลื่อนแบบอะซิงโครนัสไปยังเครื่องขับเคลื่อนแบบซิงโครนัส ผลลัพธ์จาก PI controllers คือ Vsdref และ Vsqref พวกเขามาถึงบล็อกการแปลง Park แบบผกผัน ผลลัพธ์จากการแปลงนี้คือ Vsαref และ Vsβref ถูกป้อนเข้าสู่อัลกอริธึม SVPWM ผลลัพธ์จากบล็อกนี้ให้สัญญาณที่ขับ inverter ที่นี่ทั้งการแปลง Park และการแปลง Park แบบผกผันต้องการตำแหน่งฟลักซ์โรเตอร์ ดังนั้นตำแหน่งฟลักซ์โรเตอร์เป็นหัวใจของ FOC
การประเมินตำแหน่งฟลักซ์โรเตอร์แตกต่างกันหากเราพิจารณามอเตอร์ซิงโครนัสหรือมอเตอร์เหนี่ยวนำ
ในกรณีของมอเตอร์ซิงโครนัส ความเร็วโรเตอร์เท่ากับความเร็วฟลักซ์โรเตอร์ ดังนั้นตำแหน่งฟลักซ์โรเตอร์สามารถกำหนดโดยเซ็นเซอร์ตำแหน่ง หรือโดยการอินทิเกรตความเร็วโรเตอร์
ในกรณีของมอเตอร์เหนี่ยวนำ ความเร็วโรเตอร์ไม
