ვექტორული მართვა (FOC) განმარტებული: Clarke, Park, d და q ღერძები
თითქმის ყველა თანამედროვე მაღალი წარმადობის კონტროლერი ძრავებს მართავს ვექტორული მართვის საშუალებით, რომელიც უფრო ცნობილია ინგლისური სახელით FOC («Field Oriented Control», ველზე ორიენტირებული მართვა). ცნობილია, რომ ის ძრავას უფრო ჩუმს და ეფექტურს ხდის. ეს გზამკვლევი ხსნის, თუ როგორ აღწევს ის ამას, რთული განტოლებების გარეშე, მაგრამ არაფრის გამოტოვების გარეშე.
ძირითადი არსი
- მაგნიტური ძრავის ბრუნვის მომენტი დამოკიდებულია როტორის ველსა და დენით შექმნილ ველს შორის არსებულ კუთხეზე: ის მაქსიმალურია, როდესაც ისინი 90°-ზეა.
- FOC მუდმივად ანგარიშობს როტორის მდებარეობას და დენს ზუსტად 90°-ზე ათავსებს.
- ამის მისაღწევად, ის ძრავის სამ ცვლად დენს გარდაქმნის ორ ფიქსირებულ მნიშვნელობად, რომლებსაც d დენი და q დენი ეწოდება.
- q დენი ქმნის ბრუნვის მომენტს; d დენი ნულზე რჩება, გარდა იმ შემთხვევისა, როდესაც საჭიროა უფრო სწრაფად მოძრაობა (ველის შესუსტება - défluxage).
პრობლემა, რომელიც უნდა გადაიჭრას
მუდმივმაგნიტიან ძრავას აქვს მაგნიტები მბრუნავ ნაწილზე (როტორი) და ხვეულები ფიქსირებულ ნაწილზე (სტატორი). ხვეულებში გამავალი დენი ქმნის მაგნიტურ ველს; მაგნიტებს კი თავიანთი ველი აქვთ. ბრუნვის მომენტი წარმოიქმნება მათ შორის მიზიდულობის შედეგად, ზუსტად ისე, როგორც ორი მაგნიტის მიახლოებისას.
ეს მომენტი მაქსიმალურია, როდესაც ხვეულების ველი მაგნიტების ველს ელექტრული ბრუნის მეოთხედით, ანუ 90°-ით უსწრებს. უფრო ახლოს, ის ნაკლებად უბიძგებს და ისევე ცხელდება; 0°-ზე კი ის მხოლოდ ძრავას აცხელებს. ვინაიდან როტორი ბრუნავს, ხვეულების ველი მასთან ერთად უნდა ბრუნავდეს, ამ კუთხის შენარჩუნებით, წამში ასობითჯერ.
კვადრატული ტალღის მართვა კმაყოფილდება ელექტრულ ბრუნზე ექვსი პოზიციით: კუთხე მერყეობს 90°-ის გარშემო, მაგრამ არასდროს ჩერდება მასზე. აქედან გამომდინარეობს ბრუნვის მომენტის რყევები და ხმაური. FOC კი მიზნად ისახავს 90°-ს უწყვეტად.
ნაბიჯი 1: დენის გაზომვა და პოზიციის ცოდნა
კონტროლერი ზომავს დენს ძრავის ფაზებში, წამში ათიათასობითჯერ. ვინაიდან სამი დენის ჯამი ნულის ტოლია, თეორიულად ორის გაზომვა საკმარისია; ბევრი კონტროლერი ზომავს სამივეს მეტი სიზუსტისთვის.
მას ასევე სჭირდება როტორის კუთხე: რომელიც მიიღება სენსორებით (Hall, ენკოდერი), ან გამოითვლება ე.წ. დამკვირვებლის (observateur) მიერ, ძაბვისა და დენის საფუძველზე. ჩვენი გზამკვლევი პოზიციის სენსორების შესახებ დეტალურად აღწერს ამ გადაწყვეტილებებს.
ნაბიჯი 2: Clarke, სამი დენიდან ორამდე
ძრავის სამი ფაზა 120°-ით არის დაშორებული. Clarke-ის ტრანსფორმაცია აჯგუფებს სამ დენს ორ პერპენდიკულარულ კომპონენტად, რომლებსაც ალფა და ბეტა ეწოდება, ინფორმაციის დაკარგვის გარეშე. ჩვენ გადავდივართ სამღერძიანი სისტემიდან ჩვეულებრივ, ორღერძიან სიბრტყეზე. ეს ორი დენი რჩება ცვლადი: ისინი ბრუნავენ ძრავასთან ერთად.
ნაბიჯი 3: Park, როტორიდან ყურება
ეს არის FOC-ის ცენტრალური იდეა. Park-ის ტრანსფორმაცია აბრუნებს ამ სიბრტყეს როტორთან ერთად, მისი კუთხის გამოყენებით. როტორიდან დანახული, დენი აღარ ბრუნავს: ის ხდება ორი თითქმის მუდმივი მნიშვნელობა.
- d დენი (ნიშნავს „პირდაპირს“) გასწორებულია მაგნიტების ველთან. ის არ წარმოქმნის ბრუნვის მომენტს ზედაპირული მაგნიტების მქონე ძრავაზე; ის აძლიერებს ან ასუსტებს მაგნიტების ველს.
- q დენი (ნიშნავს „კვადრატურას“) მაგნიტების მიმართ 90°-ზეა. სწორედ ის წარმოქმნის ბრუნვის მომენტს, პროპორციულად.
სამფაზიანი ცვლადი დენის ძრავის მართვა ხდება ისეთივე მარტივი, როგორც მუდმივი დენის ძრავის მართვა: ჩვენ ვარეგულირებთ ორ ფიქსირებულ მნიშვნელობას, ნაცვლად იმისა, რომ დავედევნოთ სამ სინუსოიდას.
ნაბიჯი 4: რეგულატორები
აქსელერატორი აწესებს ბრუნვის მომენტის მითითებას, შესაბამისად q დენისას. d დენის მითითება ჩვეულებრივ შემთხვევაში ნულის ტოლია. ორი რეგულატორი, თითო თითოეული ღერძისთვის, მუდმივად ადარებს გაზომილ დენს მის მითითებას და ანგარიშობს ძაბვას, რომელიც უნდა იქნას გამოყენებული გადახრის გამოსასწორებლად. ესენი, როგორც წესი, არის ე.წ. პროპორციულ-ინტეგრალური (PI) რეგულატორები, რომელთა პარამეტრები დამოკიდებულია ძრავის წინაღობასა და ინდუქციურობაზე. სწორედ მათ გამოსათვლელად ვაკეთებთ ძრავის დეტექციას.
ნაბიჯი 5: Park-ის ინვერსიული და მოდულაცია
რეგულატორები იძლევიან ორ ძაბვას როტორის სისტემაში. Park-ის ინვერსიული ტრანსფორმაცია მათ აბრუნებს სტატორის ფიქსირებულ სისტემაში, შემდეგ კონტროლერი მათ თარგმნის სიმძლავრის ხიდის ექვსი გადამრთველის გახსნისა და დახურვის ბრძანებებად. ამ ბოლო ეტაპს მოდულაცია ეწოდება; ყველაზე გავრცელებული მეთოდი, ე.წ. ვექტორული (SVPWM), ბატარეიდან ოდნავ მეტ სასარგებლო ძაბვას იღებს, ვიდრე მარტივი სინუსოიდური მოდულაცია.
მთელი ეს ციკლი მეორდება ყოველი გადართვის პერიოდში, ტიპურად წამში ათიათასობითჯერ. ჩვენი გზამკვლევი კონტროლერის შიგთავსის შესახებ აჩვენებს აპარატურას, რომელიც ასრულებს ამ ბრძანებებს.
რას იძლევა FOC, კონკრეტულად
- რეგულარული ბრუნვის მომენტი: ნაკლები ვიბრაცია, რბილი სტარტი, უფრო ჩუმი ძრავა.
- უკეთესი ეფექტურობა: თითოეული ამპერი მოთავსებულია იქ, სადაც ის წარმოქმნის ბრუნვის მომენტს, რაც ამცირებს გაცხელებას თანაბარი მომენტის დროს.
- ბრუნვის მომენტის პირდაპირი კონტროლი: აქსელერატორი მართავს ძალას, რაც მართვას ზუსტს ხდის.
- ველის შესუსტება (défluxage): d დენით მანიპულირებით, შესაძლებელია ძრავის „ბუნებრივი“ მაქსიმალური სიჩქარის გადაჭარბება. იხილეთ ჩვენი გზამკვლევი ველის შესუსტების შესახებ.
შეზღუდვები
- FOC დამოკიდებულია როტორის ზუსტ პოზიციაზე: კუთხის შეცდომა იწვევს ბრუნვის მომენტის დაკარგვას და ძრავის გაცხელებას.
- ის ეყრდნობა ძრავის მოდელს: არასწორი პარამეტრები (ჩავარდნილი დეტექცია, ძრავა, რომელიც ძალიან გაცხელდა) აუარესებს მართვას.
- ის მოითხოვს მეტ გამოთვლას, შესაბამისად უფრო სწრაფ მიკროკონტროლერს, ვიდრე კვადრატული ტალღის მართვა.
ხშირად დასმული კითხვები
FOC და „სინუსური კონტროლერი“ ერთი და იგივეა?
არა ზუსტად. „სინუსური“ კონტროლერი აგზავნის სინუსოიდურ ძაბვებს, რაც უკვე არბილებს ძრავის მუშაობას. FOC უფრო შორს მიდის: ის ზომავს დენებს და არეგულირებს მათ როტორის სისტემაში. ყველა FOC კონტროლერი წარმოქმნის სინუსოიდურ დენებს, მაგრამ ყველა სინუსური კონტროლერი არ აკეთებს FOC-ს.
რატომ უნდა შევინარჩუნოთ d დენი ნულზე?
ზედაპირული მაგნიტების მქონე ძრავაზე, d დენი არ წარმოქმნის ბრუნვის მომენტს: ის მხოლოდ გააცხელებდა ძრავას. ჩვენ მას ვინარჩუნებთ ნულზე, გარდა მაღალი სიჩქარით ველის შესუსტებისა. შიდა მაგნიტების მქონე ძრავაზე, სწორად შერჩეული d დენი, პირიქით, მატებს ბრუნვის მომენტს.
მუშაობს თუ არა FOC სენსორის გარეშე?
დიახ, დამკვირვებლის წყალობით, რომელიც აფასებს პოზიციას ძაბვისა და დენის საფუძველზე. ეს ძალიან ეფექტურია მოძრაობისას, უფრო რთულია სრულ გაჩერებაზე, სადაც საჭიროა სპეციალური ტექნიკა ან სენსორები.