Vektör kontrolü (motor) - Vector control (motor)

Alan odaklı kontrol (FOC) olarak da adlandırılan vektör kontrolü , üç fazlı bir AC veya fırçasız DC elektrik motorunun stator akımlarının görselleştirilebilen iki ortogonal bileşen olarak tanımlandığı değişken frekanslı bir sürücü (VFD) kontrol yöntemidir. bir vektör ile. Bir bileşen motorun manyetik akısını, diğeri ise torku tanımlar. Sürücünün kontrol sistemi, sürücünün hız kontrolü tarafından verilen akı ve tork referanslarından karşılık gelen mevcut bileşen referanslarını hesaplar. Tipik olarak orantılı integral (PI) kontrolörler , ölçülen akım bileşenlerini referans değerlerinde tutmak için kullanılır. Darbe genişliği modülasyon değişken frekanslı tahrik tanımlar transistor PI akım kontrol çıktısı olan stator gerilimi referanslara göre geçiş.

FOC, AC senkron ve asenkron motorları kontrol etmek için kullanılır . Başlangıçta, tam hız aralığında sorunsuz çalışması , sıfır hızda tam tork üretmesi ve hızlı hızlanma ve yavaşlama dahil yüksek dinamik performansa sahip olması gereken yüksek performanslı motor uygulamaları için geliştirilmiştir . Bununla birlikte, FOC'nin motor boyutu, maliyeti ve güç tüketimini azaltma üstünlüğü nedeniyle daha düşük performanslı uygulamalar için de giderek daha çekici hale geliyor . Mikroişlemci hesaplama gücü, artan sonunda neredeyse evrensel tek-değişkenli yerini beklenmektedir skalar VOLT -per- Hertz (V / f) kontrolü.

Geliştirme geçmişi

Blaschke'nin 1971 ABD patent başvurusundan blok diyagram

Technische Universität Darmstadt'tan K. Hasse ve Siemens'ten F. Blaschke , 1968'de ve 1970'lerin başında AC motorların vektör kontrolüne öncülük etti . Dolaylı vektör kontrolünü önerme açısından Hasse, doğrudan vektör kontrolü önerme açısından Blaschke. Teknik Üniversite Braunschweig'den Werner Leonhard, FOC tekniklerini daha da geliştirdi ve AC sürücülerin DC sürücülere rekabetçi bir alternatif olması için fırsatlar yaratmada etkili oldu .

Yine de mikroişlemcilerin ticarileştirilmesi , yani 1980'lerin başlarında, genel amaçlı AC sürücüler piyasaya sürülmedi. AC sürücü uygulamaları için FOC kullanımının önündeki engeller, DC sürücülere kıyasla daha yüksek maliyet ve karmaşıklık ve daha düşük bakım kolaylığı içeriyordu; FOC, o zamana kadar sensörler, amplifikatörler vb. Açısından birçok elektronik bileşene ihtiyaç duyuyordu.

Park dönüşümü uzun yaygın analizinde kullanılan ve çalışma olmuştur senkron ve asenkron makinaların. Dönüşüm, FOC'nin nasıl çalıştığını anlamak için gereken en önemli kavramdır; kavram ilk olarak Robert H. Park tarafından yazılan 1929 tarihli bir makalede kavramsallaştırılmıştır . Park'ın makalesi, yirminci yüzyılda şimdiye kadar yayınlanan elektrik mühendisliği ile ilgili tüm makaleler arasında etki açısından en önemli ikinci sırada yer aldı. Park'ın çalışmasının yeniliği, herhangi bir ilgili makinenin doğrusal diferansiyel denklem setini zamanla değişen katsayılardan diğerine, zamanla değişmeyen katsayılarla doğrusal bir zamanla değişmeyen sistem veya LTI sistemiyle sonuçlanan birinden diğerine dönüştürme yeteneğini içerir .

Teknik Genel Bakış

Rakip VFD kontrol platformlarına genel bakış:

AC sürücü kontrollerinin analizi teknik olarak oldukça karmaşık olsa da ("Ayrıca bkz." Bölümü), bu tür bir analiz her zaman eşlik eden sinyal akış grafiği ve denklemleri boyunca yer alan sürücü-motor devresinin modellenmesiyle başlar .

Temel parametre sembolleri
ben	akım
k	ilgili sargının bağlantı faktörü
l	indüktans
r	dayanma
t	zaman
T	tork
sen	Voltaj
${\ displaystyle \ psi}$	akı bağlantısı
${\ displaystyle \ tau}$	normalleştirilmiş zaman
${\ displaystyle \ tau}$	alt simgeli zaman sabiti (TC)
${\ displaystyle \ omega}$	açısal hız
${\ displaystyle \ sigma l_ {s}}$	toplam kaçak endüktans

Abonelikler ve üst simgeler
e	elektromekanik
ben	indüklenmiş voltaj
k	k koordinatlarına atıfta bulunuldu
L	yük
m	karşılıklı (endüktans)
m	mekanik (TC, açısal hız)
r	rotor
R	derecelendirilmiş değer
s	stator
${\ displaystyle '}$	geçici zaman sabitini gösterir

Asenkron Motor için Sinyal Akış Grafiği (SFG)

(d, q) Üç Fazlı Asenkron Motorun Üstüne Bindirilmiş Koordinat Sistemi

Basitleştirilmiş Dolaylı FOC Blok Şeması

Basitleştirilmiş Doğrudan FOC Blok Şeması

Sensörsüz FOC Blok Şeması

Vektör kontrolünde, bir AC endüksiyon veya senkron motor, ayrı olarak uyarılmış bir DC motor gibi tüm çalışma koşullarında kontrol edilir . Yani, AC motor , ilgili alan ve armatür (veya tork bileşeni) akımları tarafından oluşturulan alan akısı bağlantısı ve armatür akısı bağlantısının , tork kontrol edildiğinde alan akısı bağlantısı olacak şekilde dikey olarak hizalandığı bir DC motor gibi davranır. etkilenmez, dolayısıyla dinamik tork yanıtını etkinleştirir.

Buna göre vektör kontrolü, motorun üç fazlı stator akım girişinden türetilen karmaşık bir akım vektörünü üç fazlı hız ve zamana bağlı sistem arasında ileri geri projeksiyonlar veya dönüşler yoluyla kontrol etmek için karmaşık bir voltaj vektöründen türetilen üç fazlı bir PWM motor voltaj çıkışı üretir. ve bu vektörlerin dönen referans çerçevesi iki koordinatlı zamanla değişmeyen sistemi.

Bu tür karmaşık stator akım uzay vektörü, bir (d, q) koordinat sisteminde, d (doğrudan) ve q (kareleme) eksenleri boyunca ortogonal bileşenlerle tanımlanabilir, öyle ki, akımın alan akısı bağlantı bileşeni, d ekseni ve tork bileşeni boyunca hizalanır. akım q ekseni boyunca hizalanır. Endüksiyon motorunun (d, q) koordinat sistemi, eşlik eden resimde gösterildiği gibi motorun anlık (a, b, c) üç fazlı sinüzoidal sistemine eklenebilir (b ve c fazları netlik için gösterilmemiştir). (D, q) sistem akım vektörünün bileşenleri, bir DC motorda olduğu gibi orantılı ve integral veya PI kontrolü gibi geleneksel kontrollere izin verir .

(D, q) koordinat sistemiyle ilişkili tahminler tipik olarak şunları içerir:

• Üç fazlı sinüzoidal sistemin anlık akımlardan (a, b, c) karmaşık stator akım uzay vektörüne ileri projeksiyonu .
• Clarke dönüşümünü kullanarak üçten ikiye fazı, (a, b, c) -to- ( , ) projeksiyonu iletin . Vektör kontrol uygulamaları genellikle, sadece iki motor akım fazının algılanması gerekecek şekilde, dengeli üç fazlı akımlara sahip topraklanmamış motoru varsayar. Ayrıca, geriye doğru ikiden üçe faz, ( , ) -to- (a, b, c) projeksiyonu, uzay vektörü PWM modülatörü veya ters Clarke dönüşümü ve diğer PWM modülatörlerinden birini kullanır. ${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ beta}$${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ beta}$
• İleri ve geri ikiden ikiye faz, ( , ) -to- (d, q) ve (d, q) -to- ( , ) projeksiyonları, sırasıyla Park ve ters Park dönüşümlerini kullanarak. ${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ beta}$${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ beta}$

Park dönüşümünü kullanma fikri, üç fazlı akım ve gerilim sistemini iki koordinatlı doğrusal zamanla değişmeyen bir sisteme dönüştürmektir. Sistemi LTI yaparak, basit ve uygulanması kolay PI kontrolörlerinin kullanılmasını sağlayan ve aynı zamanda akı ve tork üreten akımların kontrolünü basitleştiren şeydir.

Bununla birlikte, kaynakların birleşik dönüşümü üçten ikiye, (a, b, c) -to- (d, q) ve ters projeksiyonları kullanması nadir değildir.

(D, q) koordinat sistemi dönüşü isteğe bağlı olarak herhangi bir hıza ayarlanabilirken, tercih edilen üç hız veya referans çerçevesi vardır:

• (D, q) koordinat sisteminin dönmediği sabit referans çerçevesi;
• (D, q) koordinat sisteminin senkronize hızda döndüğü senkronize olarak dönen referans çerçevesi;
• (D, q) koordinat sisteminin rotor hızında döndüğü rotor referans çerçevesi.

Ayrıştırılmış tork ve alan akımları, böylece, kontrol algoritması geliştirme için ham stator akım girişlerinden türetilebilir.

DC motorlardaki manyetik alan ve tork bileşenleri, ilgili alan ve armatür akımlarını ayrı ayrı kontrol ederek nispeten basit bir şekilde çalıştırılabilirken, değişken hızlı uygulamada AC motorların ekonomik kontrolü, artık güçlü DSP kullanan tüm AC sürücülerle mikroişlemci tabanlı kontrollerin geliştirilmesini gerektirmiştir ( dijital sinyal işleme ) teknolojisi.

İnvertörler, açık döngü sensörsüz veya kapalı döngü FOC olarak uygulanabilir; açık döngü çalışmasının temel sınırlaması,% 100 torkta mümkün olan minimum hızdır, yani kapalı döngü çalışma için durma ile karşılaştırıldığında yaklaşık 0,8 Hz'dir.

İki vektör kontrol yöntemi vardır, doğrudan veya geri besleme vektör kontrolü (DFOC) ve dolaylı veya ileri besleme vektör kontrolü (IFOC), IFOC daha yaygın olarak kullanılır çünkü kapalı döngü modunda bu tür sürücüler sıfır hızdan yükseğe hız aralığında daha kolay çalışır. hız alanı zayıflatma. DFOC'ta, akı büyüklüğü ve açı geri besleme sinyalleri, sözde gerilim veya akım modelleri kullanılarak doğrudan hesaplanır. IFOC'da, ileriye doğru akı alanı açısı ve akı büyüklüğü sinyalleri, önce stator akımlarını ve rotor hızını ölçer , ardından rotor hızına karşılık gelen rotor açısını ve kayma frekansına karşılık gelen kayma açısının hesaplanan referans değerini toplayarak uygun akı alanı açısını türetmek için .

AC sürücülerin sensörsüz kontrolü (bkz. Sensörsüz FOC Blok Şeması), maliyet ve güvenilirlik açısından caziptir. Sensörsüz kontrol, açık döngü tahmin ediciler veya kapalı döngü gözlemcilerle birlikte ölçülen stator voltajı ve akımlarından rotor hızı bilgisinin türetilmesini gerektirir.

Uygulama

1. Stator faz akımları ölçülür, (a, b, c) koordinat sisteminde karmaşık uzay vektörüne dönüştürülür.
2. Akım, ( , ) koordinat sistemine dönüştürülür . Rotor referans çerçevesinde dönen bir koordinat sistemine dönüştürülen rotor konumu, hız ölçüm sensörü vasıtasıyla hızın entegre edilmesiyle elde edilir . ${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ beta}$
3. Rotor Akı vektör endüktans L mıknatıslanma ile stator akım vektörü ile çarpılmasıyla hesaplanmıştır _m ve alçak geçiren filtreden geçirilmesi , rotor yüksüz olan sonuç zaman sabiti L _r / R _r , rotor direnci oranına, yani, rotorun indüktansı.
4. Mevcut vektör (d, q) koordinat sistemine dönüştürülür.
5. Stator akım vektörünün d ekseni bileşeni, rotor akı bağlantısını kontrol etmek için kullanılır ve hayali q ekseni bileşeni, motor torkunu kontrol etmek için kullanılır. PI denetleyicileri bu akımları kontrol etmek için kullanılabilirken, bang-bang tipi akım kontrolü daha iyi dinamik performans sağlar.
6. PI denetleyicileri (d, q) koordinat voltajı bileşenleri sağlar. Çapraz kuplajı veya hız, akım ve akı bağlantısındaki büyük ve hızlı değişiklikleri azaltmak için kontrol performansını iyileştirmek için bazen kontrolör çıkışına bir dekuplaj terimi eklenir. PI denetleyicisi ayrıca , transistör anahtarlamasından kaynaklanan akım dalgalanmasının aşırı derecede yükseltilmesini ve kontrolü dengesizleştirmesini önlemek için bazen giriş veya çıkışta düşük geçişli filtrelemeye ihtiyaç duyar . Bununla birlikte, bu tür filtreleme, dinamik kontrol sistemi performansını da sınırlar. Servo sürücüler gibi yüksek performanslı sürücüler için filtreleme gereksinimlerini en aza indirmek için tipik olarak yüksek anahtarlama frekansı (tipik olarak 10 kHz'den fazla) gereklidir.
7. Gerilim bileşenleri (d, q) koordinat sisteminden ( , ) koordinat sistemine dönüştürülür. ${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ beta}$
8. Gerilim bileşenleri , güç çevirici bölümüne sinyal göndermek için ( , ) koordinat sisteminden (a, b, c) koordinat sistemine dönüştürülür veya Darbe Genişliği Modülasyonu (PWM) modülatörüne veya her ikisine birden beslenir . ${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ beta}$

Vektör kontrol uygulamasının önemli yönleri:

• Hız veya konum ölçümü veya bir tür tahmin gereklidir.
• Referanslar değiştirilerek tork ve akı, 5-10 milisaniyeden daha kısa bir sürede makul derecede hızlı bir şekilde değiştirilebilir.
• Adım tepkisi bazılarına sahiptir aşmayı PI kontrol kullanılırsa.
• Transistörlerin anahtarlama frekansı genellikle sabittir ve modülatör tarafından ayarlanır.
• Torkun doğruluğu, kontrolde kullanılan motor parametrelerinin doğruluğuna bağlıdır. Bu nedenle, örneğin rotor sıcaklığı değişikliklerinden kaynaklanan büyük hatalarla sıklıkla karşılaşılır.
• Makul işlemci performansı gereklidir; tipik olarak kontrol algoritması her PWM döngüsünde hesaplanır.

Vektör kontrol algoritması, Doğrudan Tork Kontrolünden (DTC) daha karmaşık olmasına rağmen, algoritmanın DTC algoritması kadar sık ​​hesaplanmasına gerek yoktur. Ayrıca mevcut sensörlerin piyasadaki en iyisi olmasına gerek yoktur. Bu nedenle işlemcinin ve diğer kontrol donanımının maliyeti daha düşüktür ve bu da onu DTC'nin nihai performansının gerekli olmadığı uygulamalar için uygun hale getirir.

Ayrıca bakınız

Referanslar