Điều khiển định hướng trường

Mô tơ cảm ứng AC cung cấp các đặc tính hoạt động đáng khen ngợi như độ bền, độ tin cậy và dễ điều khiển. Chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng, từ hệ thống điều khiển chuyển động công nghiệp đến thiết bị gia dụng. Tuy nhiên, việc sử dụng mô tơ cảm ứng ở hiệu suất cao nhất là một nhiệm vụ khó khăn do mô hình toán học phức tạp và đặc tính phi tuyến khi bão hòa. Những yếu tố này làm cho việc điều khiển mô tơ cảm ứng trở nên khó khăn và đòi hỏi sử dụng các thuật toán điều khiển hiệu suất cao như điều khiển vector.

Giới thiệu về Điều khiển Định hướng Trường

Điều khiển scalar như chiến lược "V/Hz" có những hạn chế về hiệu suất. Phương pháp điều khiển scalar cho mô tơ cảm ứng tạo ra dao động trên lực kéo sản sinh. Do đó, để đạt được hiệu suất động tốt hơn, cần một phương án điều khiển tiên tiến hơn cho Mô tơ Cảm ứng. Với khả năng xử lý toán học được cung cấp bởi bộ vi điều khiển, bộ xử lý tín hiệu số và FGPA, các chiến lược điều khiển tiên tiến có thể được thực hiện để phân tách chức năng tạo lực kéo và chức năng từ hóa trong mô tơ cảm ứng AC. Sự phân tách lực kéo và lưu lượng từ hóa thường được gọi là điều khiển định hướng rotor Flux Oriented Control (FOC).

Điều khiển Định hướng Trường mô tả cách mà điều khiển lực kéo và tốc độ dựa trực tiếp vào trạng thái điện từ của mô tơ, tương tự như mô tơ DC. FOC là công nghệ đầu tiên điều khiển các biến số điều khiển "thực sự" của mô tơ là lực kéo và lưu lượng từ. Với sự phân tách giữa các thành phần dòng stator (lưu lượng từ hóa và lực kéo), thành phần tạo lực kéo của lưu lượng từ stator có thể được điều khiển độc lập. Điều khiển phân tách, ở tốc độ thấp, trạng thái từ hóa của mô tơ có thể được duy trì ở mức thích hợp, và lực kéo có thể được điều khiển để điều chỉnh tốc độ.
"FOC đã được phát triển riêng cho các ứng dụng mô tơ hiệu suất cao, có thể hoạt động mượt mà trong phạm vi tốc độ rộng, có thể tạo ra lực kéo đầy đủ ở tốc độ không, và có khả năng tăng tốc và giảm tốc nhanh chóng."

Nguyên lý Hoạt động của Điều khiển Định hướng Trường

Điều khiển định hướng trường bao gồm việc điều khiển các dòng stator được biểu diễn bằng một vectơ. Điều khiển này dựa trên các phép chiếu biến đổi hệ thống ba pha phụ thuộc thời gian và tốc độ thành hệ thống hai tọa độ (d và q) không phụ thuộc thời gian. Các biến đổi và phép chiếu này dẫn đến một cấu trúc tương tự như điều khiển máy DC. Máy FOC cần hai hằng số làm tham chiếu đầu vào: thành phần lực kéo (đóng vai trò với tọa độ q) và thành phần lưu lượng từ (đóng vai trò với tọa độ d).
Các điện áp, dòng điện và lưu lượng từ của mô tơ AC có thể được phân tích theo các vectơ không gian phức. Nếu chúng ta lấy ia, ib, ic là các dòng điện tức thời trong các pha stator, thì vectơ dòng điện stator được định nghĩa như sau:

Trong đó, (a, b, c) là các trục của hệ thống ba pha.

Vectơ không gian dòng điện này đại diện cho hệ thống ba pha sin. Nó cần được biến đổi thành hệ thống tọa độ không phụ thuộc thời gian. Biến đổi này có thể được chia thành hai bước:
(a, b, c) → (α, β) (biến đổi Clarke), đưa ra đầu ra là hệ thống tọa độ phụ thuộc thời gian hai chiều.
(a, β) → (d, q) (biến đổi Park), đưa ra đầu ra là hệ thống tọa độ không phụ thuộc thời gian hai chiều.
Biến đổi (a, b, c) → (α, β) (biến đổi Clarke)
Các đại lượng ba pha, dù là điện áp hay dòng điện, thay đổi theo thời gian dọc theo các trục a, b, và c có thể được biến đổi toán học thành điện áp hoặc dòng điện hai pha, thay đổi theo thời gian dọc theo các trục α và β thông qua ma trận biến đổi sau:

Giả sử rằng trục a và trục α cùng hướng và β vuông góc với chúng, chúng ta có sơ đồ vectơ sau:

Phép chiếu trên biến đổi hệ thống ba pha thành hệ thống (α, β) hai chiều trực giao như sau:

Nhưng hai dòng (α, β) này vẫn phụ thuộc vào thời gian và tốc độ.
Phép chiếu (α, β) → (d.q) (biến đổi Park)
Đây là biến đổi quan trọng nhất trong FOC. Thực tế, phép chiếu này biến đổi hệ thống hai chiều cố định (α, β) thành hệ thống tọa độ quay (d, q). Ma trận biến đổi được đưa ra dưới đây:

Trong đó, θ là góc giữa hệ tọa độ quay và cố định.
Nếu bạn xem xét trục d đối xứng với lưu lượng từ rotor, Hình 2 cho thấy mối quan hệ giữa hai hệ tọa độ cho vectơ dòng điện:

Trong đó, θ là vị trí lưu lượng từ rotor. Thành phần lực kéo và lưu lượng từ của vectơ dòng điện được xác định bởi các phương trình sau:

Các thành phần này phụ thuộc vào các thành phần vectơ dòng (α, β) và vị trí lưu lượng từ rotor. Nếu bạn biết chính xác vị trí lưu lượng từ rotor, thì theo phương trình trên, các thành phần d, q có thể được tính dễ dàng. Tại thời điểm này, lực kéo có thể được điều khiển trực tiếp vì thành phần lưu lượng từ (isd) và thành phần lực kéo (isq) giờ đây độc lập.

Mô đun Cơ bản cho Điều khiển Định hướng Trường

Dòng điện pha stator được đo. Các dòng điện được đo này được cấp vào khối biến đổi Clarke. Đầu ra của phép chiếu này được đặt tên là isα và isβ. Hai thành phần dòng điện này đi vào khối biến đổi Park, cung cấp dòng điện trong hệ tọa độ d, q. Các thành phần isd và isq được so sánh với các tham chiếu: isdref (tham chiếu lưu lượng từ) và isqref (tham chiếu lực kéo). Tại thời điểm này, cấu trúc điều khiển có ưu điểm: nó có thể được sử dụng để điều khiển cả máy đồng bộ và máy cảm ứng chỉ bằng cách thay đổi tham chiếu lưu lượng từ và theo dõi vị trí lưu lượng từ rotor. Trong trường hợp PMSM, lưu lượng từ rotor được xác định bởi nam châm nên không cần tạo ra. Do đó, khi điều khiển PMSM, isdref nên bằng không. Vì mô tơ cảm ứng cần tạo lưu lượng từ rotor để hoạt động, tham chiếu lưu lượng từ không được bằng không. Điều này dễ dàng loại bỏ một trong những nhược điểm lớn nhất của các cấu trúc điều khiển "cổ điển": khả năng di chuyển từ điều khiển không đồng bộ sang đồng bộ. Đầu ra của các bộ điều khiển PI là Vsdref và Vsqref. Chúng được áp dụng cho khối biến đổi Park ngược. Đầu ra của phép chiếu này là Vsαref và Vsβref được cấp cho thuật toán điều chế xung không gian vectơ (SVPWM). Đầu ra của khối này cung cấp các tín hiệu điều khiển inverter. Ở đây, cả biến đổi Park và biến đổi Park ngược đều cần vị trí lưu lượng từ rotor. Do đó, vị trí lưu lượng từ rotor là yếu tố then chốt của FOC.
Đánh giá vị trí lưu lượng từ rotor khác nhau nếu chúng ta xem xét máy đồng bộ hoặc máy cảm ứng.

1. Trong trường hợp của máy đồng bộ, tốc độ rotor bằng tốc độ lưu lượng từ rotor. Khi đó, vị trí lưu lượng từ rotor được xác định trực tiếp bằng cảm biến vị trí hoặc bằng cách tích phân tốc độ rotor.

2. Trong trường hợp của máy không đồng bộ, tốc độ rotor không bằng tốc độ lưu lượng từ rotor do sự trượt; do đó, một phương pháp cụ thể được sử dụng để đánh giá vị trí lưu lượng từ rotor (θ). Phương pháp này sử dụng mô hình dòng điện, cần hai phương trình của mô hình máy cảm ứng trong hệ tọa độ d, q quay.