Векторное управление (мотор) - Vector control (motor)

Векторное управление , также называемое полевым управлением (FOC), представляет собой метод управления частотно-регулируемым приводом (VFD), в котором токи статора трехфазного электродвигателя переменного тока или бесщеточного электродвигателя постоянного тока идентифицируются как две ортогональные компоненты, которые можно визуализировать. с вектором. Один компонент определяет магнитный поток двигателя, другой - крутящий момент. Система управления привода вычисляет соответствующие задания компонентов тока на основе заданий магнитного потока и крутящего момента, заданных системой управления скоростью привода. Обычно пропорционально-интегральные (ПИ) контроллеры используются для поддержания измеренных компонентов тока на их эталонных значениях. Широтно-импульсной модуляции в частотно-регулируемого привода определяет транзистор переключения в соответствии с рекомендациями напряжения статора, которые на выходе из регуляторов тока PI.

FOC используется для управления синхронными и асинхронными двигателями переменного тока . Первоначально он был разработан для высокопроизводительных двигателей, которые должны работать плавно во всем диапазоне скоростей , генерировать полный крутящий момент при нулевой скорости и иметь высокие динамические характеристики, включая быстрое ускорение и замедление . Тем не менее, он становится все более привлекательным для приложений с более низкой производительностью, а также из-за размера двигателя FOC, стоимости и превосходства в снижении энергопотребления . Ожидается , что с увеличением вычислительной мощности микропроцессоров она в конечном счете почти повсеместно вытесняют одной переменной скалярного вольт -per- Герца (V / F) контроль.

История развития

Блок-схема из заявки на патент США Блашке 1971 г.

К. Хассе из Технического университета Дармштадта и Ф. Блашке из Сименса впервые применили векторное управление двигателями переменного тока, начиная с 1968 и в начале 1970-х годов. Хассе с точки зрения предложения косвенной борьбы с переносчиками, Блашке с точки зрения предложения прямой борьбы с переносчиками. Вернер Леонхард из Технического университета Брауншвейга продолжил разработку методов FOC и сыграл важную роль в открытии возможностей для приводов переменного тока, которые могут стать конкурентоспособной альтернативой приводам постоянного тока .

Однако приводы переменного тока общего назначения стали доступны только после коммерциализации микропроцессоров , то есть в начале 1980-х годов. Препятствия на пути использования ВОП для приводов переменного тока включали более высокую стоимость и сложность, а также более низкую ремонтопригодность по сравнению с приводами постоянного тока, поскольку до того момента для ВОП требовалось множество электронных компонентов в виде датчиков, усилителей и так далее.

Преобразование Парка давно широко используется при анализе и исследовании синхронных и асинхронных машин. Преобразование, безусловно, является единственной наиболее важной концепцией, необходимой для понимания того, как работает FOC; эта концепция была впервые концептуализирована в статье 1929 года, написанной Робертом Х. Парком . Статья Пака заняла второе место по значимости среди всех работ по энергетике, когда-либо опубликованных в двадцатом веке. Новизна работы Парка заключается в его способности преобразовывать набор линейных дифференциальных уравнений любой связанной машины из одного набора с изменяющимися во времени коэффициентами в другой с неизменными во времени коэффициентами, в результате чего получается линейная неизменяющаяся во времени система или система LTI.

Технический обзор

Обзор основных конкурирующих платформ управления VFD:

Хотя анализ управления приводом переменного тока может быть технически весьма сложным (см. Также раздел), такой анализ неизменно начинается с моделирования задействованной цепи приводного двигателя в соответствии с линиями сопровождающего графика потока сигналов и уравнений.

Обозначения основных параметров
я	Текущий
k	коэффициент связи соответствующей обмотки
л	индуктивность
р	сопротивление
т	время
Т	крутящий момент
ты	Напряжение
${\ displaystyle \ psi}$	потокосцепление
${\ Displaystyle \ тау}$	нормализованное время
${\ Displaystyle \ тау}$	постоянная времени (TC) с нижним индексом
${\ displaystyle \ omega}$	угловая скорость
${\ displaystyle \ sigma l_ {s}}$	общая индуктивность рассеяния

Подстрочные и надстрочные индексы
е	электромеханический
я	индуцированное напряжение
k	относится к k-координатам
L	нагрузка
м	взаимная (индуктивность)
м	механический (ТК, угловая скорость)
р	ротор
р	номинальное значение
s	статор
${\ displaystyle '}$	обозначает переходную постоянную времени

График прохождения сигнала (SFG) для асинхронного двигателя

(d, q) Система координат, наложенная на трехфазный асинхронный двигатель.

Упрощенная блок-схема косвенного ВОК

Упрощенная блок-схема прямого FOC

Блок-схема бессенсорного ВОК

При векторном управлении асинхронный или синхронный двигатель переменного тока управляется во всех рабочих условиях, как и двигатель постоянного тока с независимым возбуждением . То есть, двигатель переменного тока ведет себя как двигатель постоянного тока, в котором магнитная связь поля и потокосцепление якоря, создаваемые соответствующими токами поля и якоря (или составляющей крутящего момента), выровнены ортогонально , так что при управлении крутящим моментом магнитная связь поля является не затронуты, что обеспечивает динамический отклик крутящего момента.

Векторное управление соответственно генерирует выходное напряжение трехфазного ШИМ- двигателя, полученное из комплексного вектора напряжения, для управления комплексным вектором тока, полученным из входного трехфазного тока статора двигателя, посредством проекций или вращений назад и вперед между трехфазной системой, зависящей от скорости и времени. и двухкоординатная во времени вращающаяся система отсчета этих векторов .

Такой комплексный пространственный вектор тока статора может быть определен в системе координат (d, q) с ортогональными компонентами вдоль осей d (прямая) и q (квадратурная), так что составляющая потока магнитной связи поля тока выровнена вдоль оси d, а составляющая крутящего момента ток выровнен по оси q. Система координат асинхронного двигателя (d, q) может быть наложена на мгновенную (a, b, c) трехфазную синусоидальную систему двигателя, как показано на сопроводительном изображении (фазы b и c не показаны для ясности). Компоненты вектора тока системы (d, q) допускают обычное управление, такое как пропорциональное и интегральное, или PI, управление , как в случае с двигателем постоянного тока.

Проекции, связанные с системой координат (d, q), обычно включают:

• Прямая проекция от мгновенных токов на (a, b, c) комплексное векторное представление пространства токов статора трехфазной синусоидальной системы.
• Прямая трехфазная проекция (a, b, c) -to- ( , ) с использованием преобразования Кларка . Реализации векторного управления обычно предполагают наличие незаземленного двигателя со сбалансированными трехфазными токами, так что необходимо измерять только две фазы тока двигателя. Кроме того, обратная двухфазная проекция ( , ) -в (a, b, c) использует пространственно-векторный ШИМ-модулятор или обратное преобразование Кларка и один из других ШИМ-модуляторов. ${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ beta}$${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ beta}$
• Прямая и обратная проекции « два-к-двум», ( , ) -в (d, q) и (d, q) -to- ( , ) с использованием преобразований Парка и обратного преобразования Парка, соответственно. ${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ beta}$${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ beta}$

Идея использования преобразования парка состоит в том, чтобы преобразовать систему трехфазных токов и напряжений в двухкоординатную линейную систему, не зависящую от времени. Благодаря созданию системы LTI позволяет использовать простые и легкие в реализации контроллеры PI, а также упрощает управление токами, создающими магнитный поток и крутящий момент.

Однако источники нередко используют комбинированное преобразование три в два, (a, b, c) -в (d, q) и обратные проекции.

Хотя вращение системы координат (d, q) может быть произвольно установлено на любую скорость, существует три предпочтительных скорости или системы отсчета:

• Стационарная система отсчета, в которой система координат (d, q) не вращается;
• Синхронно вращающаяся система отсчета, в которой система координат (d, q) вращается с синхронной скоростью;
• Система координат ротора, в которой система координат (d, q) вращается со скоростью ротора.

Таким образом, развязанные крутящий момент и токи возбуждения могут быть получены из исходных токов статора для разработки алгоритма управления.

В то время как компоненты магнитного поля и крутящего момента в двигателях постоянного тока могут управляться относительно просто путем раздельного управления соответствующими токами поля и якоря, экономичное управление двигателями переменного тока в приложениях с регулируемой скоростью потребовало разработки микропроцессорных средств управления со всеми приводами переменного тока, которые теперь используют мощный DSP ( цифровая обработка сигналов ).

Инверторы могут быть реализованы либо как без датчиков, либо как FOC с обратной связью, при этом ключевым ограничением работы без обратной связи является минимальная скорость, возможная при 100% крутящем моменте, а именно около 0,8 Гц по сравнению с режимом покоя для работы с обратной связью.

Существует два метода векторного управления: прямое или векторное управление с обратной связью (DFOC) и косвенное векторное управление или управление с прямой связью (IFOC), причем IFOC используется чаще, потому что в режиме замкнутого контура такие приводы легче работают во всем диапазоне скоростей от нулевой скорости до высокой. -скорость-ослабление поля. В DFOC сигналы обратной связи по величине магнитного потока и углу вычисляются напрямую с использованием так называемых моделей напряжения или тока. В IFOC сигналы упреждения угла пространства магнитного потока и величины магнитного потока сначала измеряют токи статора и скорость ротора, а затем получают собственно угол пространства магнитного потока путем суммирования угла пространства магнитного потока, соответствующего скорости ротора, и вычисленного опорного значения угла скольжения, соответствующего частоте скольжения.

Бессенсорное управление приводами переменного тока (см. Блок-схему FOC без датчика) привлекательно с точки зрения стоимости и надежности. Бездатчиковое управление требует получения информации о скорости ротора из измеренных напряжений и токов статора в сочетании с модулями оценки разомкнутого цикла или наблюдателями замкнутого контура.

Заявление

1. Фазные токи статора измеряются, преобразуются в комплексный пространственный вектор в системе координат (a, b, c).
2. Ток преобразуется в систему координат ( , ). Преобразованные к системе координат , вращающейся в роторной системе отсчета, положение ротора получается путем интегрирования скорости с помощью измерения скорости датчика. ${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ beta}$
3. Вектор потокосцепления ротора оценивается путем умножения вектора тока статора на индуктивность намагничивания L _m и низкочастотной фильтрации результата с постоянной времени холостого хода ротора L _r / R _r , а именно отношением индуктивности ротора к сопротивлению ротора.
4. Текущий вектор конвертируется в систему координат (d, q).
5. Компонент оси d вектора тока статора используется для управления потокосцеплением ротора, а мнимая компонента оси q используется для управления крутящим моментом двигателя. В то время как контроллеры PI могут использоваться для управления этими токами, управление током типа bang-bang обеспечивает лучшие динамические характеристики.
6. ПИ-регуляторы обеспечивают (d, q) компоненты напряжения координат. К выходному сигналу контроллера иногда добавляют элемент развязки, чтобы улучшить характеристики управления, чтобы уменьшить перекрестную связь или большие и быстрые изменения скорости, тока и магнитной связи. ПИ-регулятору также иногда требуется фильтрация нижних частот на входе или выходе, чтобы предотвратить чрезмерное усиление пульсаций тока из-за переключения транзисторов и дестабилизацию управления. Однако такая фильтрация также ограничивает производительность системы динамического управления. Высокая частота переключения (обычно более 10 кГц) обычно требуется для минимизации требований к фильтрации для высокопроизводительных приводов, таких как сервоприводы.
7. Компоненты напряжения преобразуются из системы координат (d, q) в систему координат ( , ). ${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ beta}$
8. Компоненты напряжения преобразуются из системы координат ( , ) в систему координат (a, b, c) или подаются в модулятор широтно-импульсной модуляции (PWM) , или и то, и другое, для передачи сигналов в секцию инвертора мощности. ${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ beta}$

Важные аспекты применения борьбы с переносчиками болезней:

• Требуется измерение скорости или местоположения или какая-то оценка.
• Крутящий момент и поток можно изменить достаточно быстро, менее чем за 5-10 миллисекунд, путем изменения опорных значений.
• При использовании ПИ-регулирования ступенчатая характеристика имеет некоторое превышение .
• Частота переключения транзисторов обычно постоянная и устанавливается модулятором.
• Точность крутящего момента зависит от точности параметров двигателя, используемых в управлении. Таким образом, часто встречаются большие ошибки из-за, например, изменений температуры ротора.
• Требуется разумная производительность процессора; обычно алгоритм управления вычисляется каждый цикл ШИМ.

Хотя алгоритм векторного управления более сложен, чем прямое управление крутящим моментом (DTC), алгоритм не нужно рассчитывать так часто, как алгоритм DTC. Также датчики тока не обязательно должны быть лучшими на рынке. Таким образом, стоимость процессора и другого управляющего оборудования ниже, что делает его пригодным для приложений, где не требуется максимальная производительность DTC.

Смотрите также

Рекомендации