Обяснение на векторното управление (FOC): Clarke, Park, оси d и q
Почти всички съвременни контролери за висока производителност управляват своите двигатели в режим на векторно управление, което е по-известно с английското си наименование FOC („Field Oriented Control“ – управление с ориентиран поток). Известно е, че този режим прави двигателя по-тих и по-ефективен. Това ръководство обяснява как се постига това, без сложни уравнения, но без да пропуска нищо.
Същественото
- Въртящият момент на мотор с постоянен магнит зависи от ъгъла между магнитното поле на ротора и магнитното поле, създадено от тока: той е максимален, когато тези полета са под ъгъл от 90°.
- FOC (Field-Oriented Control) непрекъснато изчислява позицията на ротора и насочва тока точно под ъгъл от 90°.
- За да постигне това, тя преобразува трите променливи тока от двигателя в две фиксирани стойности, наречени ток d и ток q.
- Токът "q" генерира въртящия момент, а токът "d" се поддържа близо до нула, освен когато е необходимо за увеличаване на скоростта (демагнетизация).
Проблемът, който трябва да бъде решен
Един двигател с постоянен магнит има магнити в ротационната си част (ротора) и намотки във фиксираната си част (статора). Токът в намотките създава магнитно поле; магнетите също имат свое магнитно поле. Въртящият момент възниква от взаимодействието между двете полета, точно както при два магнита, които се приближават един към друг.
Този въртящ момент е максимален, когато магнитното поле на намотките е изпреварило магнитното поле на магнитите с четвърт оборот, или 90°. Когато разликата е по-малка, тялото оказва по-малко тяга и се нагрява еднакво; при 0°, двигателят се нагрява, но не генерира тяга. Тъй като роторът се върти, магнитното поле на намотките трябва да се върти заедно с него, поддържайки този ъгъл стотици пъти в секунда.
Управлението със квадратна вълна използва само шест позиции на оборот: ъгълът варира около 90°, но никога не остава точно на тази стойност. Това води до колебания в въртящия момент и шум. FOC (Field-Oriented Control), от друга страна, се стреми да поддържа ъгъл от 90° постоянно.
Етап 1: Измерване на токовете и определяне на позицията
Контролерът измерва тока във фазите на двигателя десетки хиляди пъти в секунда. Тъй като сумата от трите тока е нула, теоретично е достатъчно да се измерят два от тях; много контролери измерват и трите за по-голяма точност.
Необходимо е също така да се определи ъгълът на ротора, който може да бъде получен от сензори (Hall, енкодер), или да бъде изчислен чрез алгоритъм, наречен "наблюдател", въз основа на напреженията и токовете. Нашето ръководство за сензорите за позиция предоставя подробна информация за тези решения.
Етап 2: Трансформация на три фази в две фази (Clarke)
Трите фази на двигателя са отместени с 120°. Трансформацията на Clarke обединява трите тока в две перпендикулярни компоненти, наречени алфа и бета, без да се губи информация. Преминава се от система с три оси към обикновен двуосов план. Тези два тока остават променливи: те се въртят заедно с двигателя.
Етап 3: Застанете настрани и наблюдавайте отстрани на ротора
Основната идея зад FOC (Field-Oriented Control) е следната: Трансформацията на Park завърта тази равнина заедно с ротора, използвайки неговия ъгъл. Гледано от гледна точка на ротора, токът вече не се върти: той се превръща в две стойности, които са почти постоянни.
- Токът (в смисъл на "директен") е подравнен с магнитното поле. Той не генерира въртящ момент в двигател с повърхностни магнити; вместо това, той усилва или отслабва магнитното поле.
- Токът q (за "квадратура") е на 90° спрямо магнитите. Именно той генерира въртящия момент, пропорционално.
Управлението на трифазен асинхронен двигател става толкова лесно, колкото управлението на двигател с постоянен ток: вместо да се опитвате да контролирате три синусоиди, просто настройвате две фиксирани стойности.
Етап 4: Регулаторите
Ускорителят задава стойност на въртящия момент, което означава стойност на тока q. Зададената стойност на тока d обикновено е нула. Два контролера, по един за всеки вал, непрекъснато сравняват измереното напрежение със зададената стойност и изчисляват напрежението, което трябва да бъде приложено, за да се коригира разликата. Обикновено това са пропорционално-интегрални (PI) контролери, чиито настройки зависят от съпротивлението и индуктивността на двигателя. Именно за да се изчислят тези настройки, се извършва откриването на двигателя.
Етап 5: Обратен ход и модулация
Регулаторите предоставят две напрежения, измерени спрямо ротора. Трансформацията на Парк ги преобразува в координатната система, фиксирана спрямо статора, след което контролерът ги преобразува в команди за отваряне и затваряне на шестте превключвателя на силовия модул. Тази последна стъпка се нарича модулация; най-разпространеният метод, наречен векторен (SVPWM), извлича малко повече полезно напрежение от батерията в сравнение с обикновената синусоидална модулация.
Цялият този цикъл се повтаря във всеки период на дискретизация, обикновено десетки хиляди пъти в секунда. Нашето ръководство за вътрешната структура на контролера показва хардуера, който изпълнява тези команди.
Какво всъщност предлага технологията FOC?
- Редовна конфигурация: по-малко вибрации, плавно потегляне, по-тих мотор.
- По-висока ефективност: Всеки ампер се използва там, където генерира въртящ момент, което намалява нагряването при еднакъв въртящ момент.
- Директен контрол на въртящия момент: Ускорителят контролира силата, което прави управлението прецизно.
- Дефлуксажът: Чрез манипулиране на тока, може да се надхвърли максималната "естествена" скорост на двигателя. Вижте нашето ръководство за дефлуксаж.
Ограниченията
- Режимът FOC (Field-Oriented Control) зависи от точното определяне на позицията на ротора; грешка в ъгъла води до загуба на въртящ момент и прегряване на двигателя.
- Системата се основава на модел на двигателя: неправилни параметри (неуспешна детекция, двигател, който се е прегрял) влошават работата.
- Тя изисква повече изчисления, което налага използването на микроконтролер с по-висока скорост в сравнение с управлението със схема с правоъгълни импулси.
Често задавани въпроси
FOC и "синусоидален контролер" са едно и също нещо?
Не точно. Един контролер "синус" изпраща синусоидални напрежения, което вече омекотява работата на двигателя. FOC (Field-Oriented Control) отива по-далеч: той измерва токовете и ги регулира спрямо ротора. Всички контролери с FOC генерират синусоидални токове, но не всички контролери с "синус" използват FOC.
Защо трябва да поддържаме тока "A" на нула?
При двигател с повърхностни магнити, токът "d" не генерира въртящ момент; той само би загрял двигателя. Поддържа се на нула, освен за демагнетизация при висока скорост. При двигател с вътрешни магнити, токът "d", ако е правилно настроен, напротив, увеличава въртящия момент.
Функционира ли режимът FOC без сензор?
Да, благодарение на сензор, който определя позицията въз основа на напреженията и токовете. Това е много ефективно при движение, но е по-сложно при пълно спиране, където са необходими специални техники или сензори.