Поле-орієнтований контроль

Асинхронні електродвигуни мають завидні експлуатаційні характеристики, такі як міцність, надійність та легкість керування. Вони широко використовуються у різних застосуваннях, від промислових систем управління рухом до побутової техніки. Однак, ефективне використання асинхронних двигунів є складною задачею через їхню складну математичну модель та нелінійні характеристики при насиченні. Ці фактори роблять керування асинхронними двигунами складним і потребують використання високопродуктивних алгоритмів керування, таких як векторне керування.

Вступ до орієнтованого на поле керування

Скалярне керування, таке як стратегія "V/Hz", має свої обмеження щодо продуктивності. Скалярний метод керування для асинхронних двигунів створює коливання на створеному моменті. Тому, щоб досягти кращої динамічної продуктивності, потрібна більш сучасна система керування для асинхронного двигуна. З математичними можливостями, які надають мікроконтролери, цифрові сигнальні процесори та FGPA, можна реалізувати передові стратегії керування, щоб роз'єднати функції генерації моменту та намагнічування в асинхронному двигуні. Цей роз'єднаний момент та потік намагнічування зазвичай називають роторним Орієнтованим на Поле Керування (FOC).

Орієнтоване на поле керування описує спосіб, за допомогою якого керування моментом та швидкістю базується безпосередньо на електромагнітному стані двигуна, подібно до DC двигуна. FOC є першою технологією, яка керує "реальними" змінними керування двигуном: моментом та потоком. З роз'єднанням компонентів статорного струму (поток намагнічування та момент), можна незалежно контролювати компонент статорного потоку, що створює момент. При роз'єднаному керуванні, на низьких швидкостях, можна підтримувати стан намагнічування двигуна на відповідному рівні, а момент можна контролювати для регулювання швидкості.
"FOC був створений виключно для високопродуктивних застосувань двигунів, які можуть стабільно працювати в широкому діапазоні швидкостей, можуть створювати повний момент при нульовій швидкості та здатні до швидкого прискорення та сповільнення."

Принцип роботи орієнтованого на поле керування

Орієнтоване на поле керування полягає в керуванні статорними струмами, представленими вектором. Це керування базується на проекціях, які перетворюють трифазну систему, що залежить від часу та швидкості, на двокоординатну (d та q осі) систему, що не залежить від часу. Ці перетворення та проекції призводять до структури, схожої на керування DC машини. Машина FOC потребує двох сталих значень як вхідних посилань: компонента моменту (вирівняний з q координатою) та компонента потоку (вирівняний з d координатою).
Трифазні напруги, струми та потоки AC-двигунів можна аналізувати в термінах комплексних просторових векторів. Якщо ми беремо ia, ib, ic як миттєві струми в статорних фазах, то вектор статорного струму визначається наступним чином:

Де (a, b, c) — це осі трифазної системи.

Цей просторовий вектор струму представляє трифазну синусоїдну систему. Його потрібно перетворити на двокоординатну систему, що не залежить від часу. Це перетворення можна розділити на два кроки:
(a, b, c) → (α, β) (перетворення Кларка), яке дає виходи двокоординатної системи, що залежить від часу.
(α, β) → (d, q) (перетворення Парка), яке дає виходи двокоординатної системи, що не залежить від часу.
Перетворення (a, b, c) → (α, β) (перетворення Кларка)
Трифазні величини, будь то напруги або струми, що змінюються в часі вздовж осей a, b та c, можна математично перетворити в двофазні напруги або струми, що змінюються в часі вздовж осей α та β за допомогою наступної матриці перетворення:

Припустимо, що вісь a та вісь α направлені в одному напрямку, а β перпендикулярна до них, ми маємо наступний векторний діаграм:

Наданий вище проект модифікує трифазну систему в (α, β) двовимірну ортогональну систему, як зазначено нижче:

Але ці двофазні (α, β) струми все ще залежать від часу та швидкості.
Перетворення (α, β) → (d, q) (перетворення Парка)
Це найважливіше перетворення в FOC. Насправді, цей проект модифікує двофазну фіксовану ортогональну систему (α, β) в d, q обертаючу систему відліку. Матриця перетворення наведена нижче:

Де, θ — це кут між обертаючою та фіксованою системою відліку.
Якщо ви вважаєте, що вісь d вирівняна з потоком ротора, Рисунок 2 показує зв'язок між двома системами відліку для вектора струму:

Де, θ — це положення потоку ротора. Компоненти моменту та потоку вектора струму визначаються наступними рівняннями:

Ці компоненти залежать від компонентів вектора струму (α, β) та від положення потоку ротора. Якщо ви знаєте точне положення потоку ротора, то, за допомогою вищезазначеного рівняння, компоненти d, q можна легко обчислити. У цей момент, момент можна контролювати безпосередньо, оскільки компонент потоку (isd) та компонент моменту (isq) тепер незалежні.

Основний модуль для орієнтованого на поле керування

Вимірюються статорні фазові струми. Ці виміряні струми подаються в блок перетворення Кларка. Виходи цього проекціювання називаються isα та isβ. Ці дві компоненти струму входять в блок перетворення Парка, який надає струм в системі координат d, q. Компоненти isd та isq порівнюються з посиланнями: isdref (посилання на потік) та isqref (посилання на момент). У цей момент, структура керування має перевагу: вона може бути використана для керування синхронними або асинхронними машинами, просто змінюючи посилання на потік та відстежуючи положення потоку ротора. У випадку PMSM потік ротора є фіксованим, визначеним магнітами, тому немає потреби його створювати. Тому, при керуванні PMSM, isdref повинен дорівнювати нулю. Оскільки асинхронні двигуни потребують створення потоку ротора для роботи, посилання на потік не повинно дорівнювати нулю. Це легко усуває одну з основних недоліків " класичних" структур керування: переносимість від асинхронних до синхронних приводів. Виходи ПІ-регуляторів V