Векторное управление (двигатель)

Способ управления электродвигателями

Векторное управление , также называемое ориентированным по полю управлением (FOC), представляет собой метод управления частотно-регулируемым приводом (VFD), в котором токи статора трехфазного переменного или бесщеточного электродвигателя постоянного тока идентифицируются как два ортогональных компонента, которые можно визуализировать. с вектором. Один компонент определяет магнитный поток двигателя, другой — крутящий момент. Система управления приводом вычисляет соответствующие задания компонентов тока на основе заданий потока и крутящего момента, заданных системой управления скоростью привода. Обычно пропорционально-интегральные (ПИ) контроллеры используются для поддержания измеряемых составляющих тока на опорных значениях. Широтно -импульсная модуляция частотно-регулируемого привода определяет переключение транзистора в соответствии с опорными напряжениями статора, которые являются выходными данными ПИ-регуляторов тока. ^[1]

ВОК используется для управления синхронными и асинхронными двигателями переменного тока . ^[2] Первоначально он был разработан для высокопроизводительных двигателей, от которых требуется плавная работа во всем диапазоне скоростей , создание полного крутящего момента на нулевой скорости и высокие динамические характеристики, включая быстрое ускорение и замедление . Тем не менее, он становится все более привлекательным для приложений с низкой производительностью, а также из-за превосходства FOC в размере двигателя, стоимости и снижении энергопотребления . ^{[3] [4]} Ожидается, что с увеличением вычислительной мощности микропроцессоров оно в конечном итоге почти повсеместно заменит скалярное управление с одной переменной ( вольты на герц , управление V/f). ^{[5] [6]}

История развития

Блок-схема из патентной заявки Бляшке в США 1971 года.

К. Хассе из Технического университета Дармштадта и Ф. Бляшке из Siemens стали пионерами векторного управления двигателями переменного тока, начиная с 1968 года и в начале 1970-х годов. Хассе с точки зрения предложения косвенной борьбы с переносчиками, Бляшке с точки зрения предложения прямой борьбы с переносчиками. ^{[7] [8]} 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 . ^{[9] [10]}

Однако только после коммерциализации микропроцессоров , то есть в начале 1980-х годов, приводы переменного тока общего назначения стали доступны. ^{[11] [12]} Препятствия к использованию FOC для приводов переменного тока включали более высокую стоимость и сложность, а также меньшую ремонтопригодность по сравнению с приводами постоянного тока, поскольку до этого момента FOC требовало множество электронных компонентов, таких как датчики, усилители и так далее. ^[13]

Преобразование Парка уже давно широко используется при анализе и исследовании синхронных и асинхронных машин. Трансформация, безусловно, является единственной наиболее важной концепцией, необходимой для понимания того, как работает FOC, эта концепция была впервые концептуализирована в статье 1929 года, автором которой является Роберт Х. Парк . ^[14] Статья Пака заняла второе место по значимости среди всех статей 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 с изменяющимися во времени коэффициентами в другой с неизменяемыми во времени коэффициентами ^[15], что приводит к созданию линейной нестационарной системы или системы LTI.

Технический обзор

Обзор ключевых конкурирующих платформ управления ЧРП:

Хотя анализ управления приводом переменного тока может быть технически весьма сложным (см. также раздел), такой анализ неизменно начинается с моделирования схемы привод-двигатель, задействованной в соответствии с сопутствующим графиком потока сигналов и уравнениями. ^[16]

Уравнения модели асинхронного двигателя

${\displaystyle {\begin{aligned}&\tau _{\sigma }'{\frac {di_{s}}{d\tau }}+i_{s}{=}-\omega _{k}\tau _{\sigma }'i_{s}+{\frac {k_{r}}{\tau _{r}r_{\sigma }}}(1-jr_{\tau }\omega _{m})\psi _{r}+{\frac {1}{r_{\sigma }}}u_{s}&&(1)\\&\tau _{r}{\frac {d\psi _{r}}{d\tau }}+\psi _{r}=-j(\omega _{k}-\omega _{m})\tau _{r}\psi _{r}+l_{m}i_{s}&&(2)\end{aligned}}}$

где

${\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{r}'={\frac {\sigma l_{s}}{r_{\sigma }}}&&r_{\sigma }=r_{s}+k_{r}^{2}r_{r}&&k_{r}={\frac {l_{m}}{l_{r}}}&&\tau =\omega _{sR}\end{aligned}}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}&\sigma =1-{\frac {l_{m}^{2}}{l_{r}l_{s}}}={\text{total leakage coefficient}}\\&\omega _{sR}={\text{nominal stator frequency}}\end{aligned}}}$

График прохождения сигналов (SFG) для асинхронного двигателя

(d,q) Система координат, наложенная на трехфазный асинхронный двигатель ^[17]

Упрощенная блок-схема косвенного FOC ^{[3] [9] : 111  [18]}

Упрощенная блок-схема прямого ВОК ^[19]

Блок-схема бездатчикового ВОК ^{[16] [20]}

При векторном управлении асинхронный или синхронный двигатель переменного тока управляется при всех рабочих условиях так же, как двигатель постоянного тока с отдельным возбуждением . ^[21] То есть двигатель переменного тока ведет себя как двигатель постоянного тока, в котором потокосцепление поля и потокосцепление якоря , создаваемые соответствующими токами поля и якоря (или составляющей крутящего момента), ортогонально выровнены, так что при управлении крутящим моментом поле Потокосцепление не затрагивается, что обеспечивает динамическую реакцию крутящего момента.

Векторное управление соответственно генерирует выходное трехфазное напряжение двигателя с ШИМ , полученное из комплексного вектора напряжения, для управления комплексным вектором тока, полученным из входного трехфазного тока статора двигателя посредством проекций или вращений вперед и назад между трехфазной системой, зависящей от скорости и времени. и вращающаяся двухкоординатная система отсчета этих векторов, инвариантная во времени. ^[22]

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 компонент потокосцепления тока выровнен вдоль оси d, а компонент крутящего момента ток ориентирован вдоль оси q. ^[21] Система координат асинхронного двигателя (d,q) может быть наложена на мгновенную трехфазную синусоидальную систему (a,b,c) двигателя, как показано на сопроводительном изображении (фазы b и c не показаны для ясности). Компоненты вектора тока системы (d,q) обеспечивают обычное управление, такое как пропорциональное и интегральное, или ПИ-управление , как в случае с двигателем постоянного тока.

Проекции, связанные с системой координат (d,q), обычно включают: ^{[16] [22] [23]}

• Прямая проекция мгновенных токов на (a,b,c) комплексное векторное представление тока статора в пространстве трехфазной синусоидальной системы.
• Прямая фаза три-к-дву, (a,b,c)-к-( , ) с использованием преобразования Кларка . Реализации векторного управления обычно предполагают незаземленный двигатель со сбалансированными трехфазными токами, поэтому необходимо измерять только две фазы тока двигателя. Кроме того, обратная проекция двух-трех фаз ( , )-к-(a,b,c) использует пространственный 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 фазы два к двум, ( , )-к (d,q) и (d,q)-к( , ) с использованием преобразований Парка и обратных преобразований 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 нестационарную систему. Создание системы LTI позволяет использовать простые и удобные в реализации ПИ-регуляторы, а также упрощает управление потоками и токами, создающими 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: ^[17]

• 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 отсчета ротора, в которой система координат (d,q) вращается со скоростью ротора.

Таким образом, развязанный крутящий момент и токи возбуждения могут быть получены из необработанных входных токов статора для разработки алгоритма управления. ^[24]

В то время как компоненты магнитного поля и крутящего момента в двигателях постоянного тока могут управляться относительно просто путем отдельного управления соответствующими токами возбуждения и якоря, экономичное управление двигателями переменного тока в приложениях с регулируемой скоростью потребовало разработки микропроцессорных средств управления ^[24] со всеми приводами переменного тока, которые в настоящее время используют Мощная технология DSP ( цифровая обработка сигналов ). ^[25]

Инверторы могут быть реализованы либо как бездатчиковые, либо как FOC с разомкнутым контуром, причем ключевым ограничением работы в разомкнутом контуре является минимальная возможная скорость при 100% крутящем моменте, а именно около 0,8 Гц по сравнению с состоянием покоя для работы с замкнутым контуром. ^[9]

Существует два метода векторного управления: прямое векторное управление или векторное управление с обратной связью (DFOC) и косвенное векторное управление или векторное управление с прямой связью (IFOC). IFOC используется чаще, поскольку в режиме с обратной связью такие приводы легче работают во всем диапазоне скоростей от нулевой скорости до высокой. -скоростное поле-ослабление. ^[26] В DFOC сигналы обратной связи по величине потока и углу рассчитываются напрямую с использованием так называемых моделей напряжения или тока. В IFOC сигналы прямой связи по углу магнитного потока и сигналы величины магнитного потока сначала измеряют токи статора и скорость ротора , а затем определяют собственно пространственный угол путем суммирования угла ротора, соответствующего скорости ротора, и вычисленного опорного значения угла скольжения , соответствующего частоте скольжения. ^{[27] [28]}

Бездатчиковое управление (см. блок-схему бездатчикового FOC) приводов переменного тока привлекательно с точки зрения стоимости и надежности. Бездатчиковое управление требует получения информации о скорости ротора на основе измеренного напряжения и токов статора в сочетании с оценщиками с разомкнутым контуром или наблюдателями с замкнутым контуром. ^{[16] [20]}

Приложение

1. Фазные токи статора измеряются и преобразуются в комплексный пространственный вектор в системе координат (a,b,c).
2. Ток преобразуется в систему координат ( , ). Положение ротора , преобразованное в систему координат , вращающуюся в системе координат ротора , определяется путем интегрирования скорости с помощью датчика измерения скорости . ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \beta }$
3. Вектор потокосцепления ротора оценивается путем умножения вектора тока статора на индуктивность намагничивания L _m и фильтрации нижних частот результата на постоянную времени холостого хода ротора L _r /R _r , а именно отношение индуктивности ротора к сопротивлению ротора.
4. Текущий вектор преобразуется в систему координат (d,q).
5. Компонента оси d вектора тока статора используется для управления потокосцеплением ротора, а мнимая компонента оси q используется для управления крутящим моментом двигателя. Хотя для управления этими токами можно использовать ПИ-регуляторы, управление током релейного типа обеспечивает лучшие динамические характеристики. ^{[ нужна цитата ]}
6. ПИ-регуляторы обеспечивают координатные компоненты напряжения (d,q). К выходному сигналу контроллера иногда добавляется фактор развязки, чтобы улучшить характеристики управления и уменьшить перекрестную связь или большие и быстрые изменения скорости, тока и потокосцепления. 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 (ШИМ) , или в оба, для передачи сигнала в секцию силового инвертора. ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \beta }$

Важные аспекты применения векторной борьбы:

• Необходимо измерение скорости или положения или какая-то оценка.
• Крутящий момент и поток можно изменить достаточно быстро, менее чем за 5-10 миллисекунд, путем изменения ссылок.
• При использовании ПИ-регулирования переходная характеристика имеет некоторое перерегулирование .
• Частота переключения транзисторов обычно постоянна и задается модулятором.
• Точность момента зависит от точности параметров двигателя, используемых при управлении. Таким образом, часто встречаются большие ошибки, например, из-за изменений температуры ротора.
• Требуется разумная производительность процессора; обычно алгоритм управления рассчитывается в каждом цикле ШИМ.

Хотя алгоритм векторного управления более сложен, чем алгоритм прямого управления крутящим моментом (DTC), его не нужно рассчитывать так часто, как алгоритм DTC. Кроме того, современные датчики 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

• ${\displaystyle \alpha \beta \gamma }$трансформировать
• Адаптивное управление
• Техника управления
• Теория управления
• Преобразование ДКО
• Собственные значения и собственные векторы
• Расширенный фильтр Калмана
• Фильтр (обработка сигнала)
• Частотная характеристика
• Преобразование Гильберта
• Импульсивный ответ
• Линейная нестационарная система
• Фильтр Калмана
• Надежное управление
• Корневой локус
• Теория возмущений
• График потока сигналов
• Модель слабого сигнала
• Управление скользящим режимом
• Государственный наблюдатель
• Государственное космическое представительство
• Симметричные компоненты
• Системный анализ
• Переходный процесс
• Функция передачи

Рекомендации

1. Замбада, Хорхе (8 ноября 2007 г.). «Полевое управление двигателями». MachineDesign.com. Архивировано из оригинала 16 февраля 2013 года.
2. Левин, Чак (10 апреля 2006 г.). «Новые разработки в области коммутации и методов управления двигателями». DesignNews.com. Архивировано из оригинала 21 июня 2007 года . Проверено 22 апреля 2012 г.
3. 568000 Руководство по DSP (2007). «Трехфазный индукционный привод с векторным управлением переменного тока и одиночным шунтирующим током» (PDF) . Свободный масштаб. п. 25, вкл. особенно экв. 2–37 . Проверено 16 мая 2012 г.{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
4. ЭДН (23 сентября 2006 г.). «Ориентированное на поле управление уменьшает размер двигателя, стоимость и энергопотребление в промышленных приложениях». ЭДН . Проверено 8 июля 2022 г.
5. Бозе, Бимал К. (июнь 2009 г.). «Прошлое, настоящее и будущее силовой электроники». Журнал промышленной электроники IEEE . 3 (2): 11. дои :10.1109/MIE.2009.932709.
6. Мюррей, Энгус (27 сентября 2007 г.). «Преобразование движения: ориентированное на поле управление двигателями переменного тока». ЭДН . Проверено 9 мая 2017 г.
7. Яно, Масао; и другие. «История силовой электроники для моторных приводов в Японии» (PDF) . п. 6, рис. 13 . Проверено 18 апреля 2012 г.
8. Рафик, доктор Абдур (2006). «Управление ориентацией поля привода асинхронного двигателя с быстрым реагированием на скорость с помощью адаптивного нейронного интегратора». Журнал Стамбульского университета по электротехнике и электронике . 6 (2): 229.
9. Друри, Билл (2009). Справочник по методам управления, приводам и средствам управления (2-е изд.). Стивенейдж, Хертс, Великобритания: Институт инженерии и технологий. п. ххх. ISBN 978-1-84919-101-2.
10. Бозе, Бимал К. (2006). Силовая электроника и моторные приводы: достижения и тенденции . Амстердам: Академ. п. 22. ISBN 978-0-12-088405-6.
11. «Развитие привода векторного управления» .
12. Бозе (2006), с. 605
13. Габриэль, Р.; Леонхард, В.; Нордби, CJ (март – апрель 1980 г.). «Полево-ориентированное управление стандартными двигателями переменного тока с использованием микропроцессоров». Транзакции IEEE для промышленных приложений . IA-16 (2): 188. doi :10.1109/tia.1980.4503770. S2CID  14562471.
14. Парк, Роберт (1929). «Теория двух реакций синхронных машин, обобщенный метод анализа. Часть I». Труды Американского института инженеров-электриков . 48 (3): 716–730. дои : 10.1109/t-aiee.1929.5055275. S2CID  51643456.
15. Хейдт, GT; Венката, СС; Балиепалли, Н. (23–24 октября 2000 г.). «Документы о важном влиянии в энергетике, 1900–1999 гг.» (PDF) . Североамериканский энергетический симпозиум (NAPS), 2000 год : от P-1 до P-7 . Проверено 23 мая 2012 г.
16. Хольц, Дж. (август 2002 г.). «Бездатчиковое управление асинхронными электроприводами» (PDF) . Труды IEEE . 90 (8): 1359–1394. дои :10.1109/jproc.2002.800726 . Проверено 3 июня 2012 г.
17. Ли, Р.Дж.; Пиллэй, П.; Харли Р.Г. (1984). «Опорные рамки D,Q для моделирования асинхронных двигателей» (PDF) . Исследование электроэнергетических систем . 8 . ЭПР: 15–26. дои : 10.1016/0378-7796(84)90030-0.
18. Росс, Дэйв; и другие. (2004). «Использование dsPIC30F для векторного управления ACIM» (PDF) . Микрочип . Проверено 16 мая 2012 г.
19. Попеску, Мирча (2000). Моделирование асинхронного двигателя для целей векторного управления (PDF) . Эспоо: Хельсинкский технологический университет. стр. 13–14. ISBN 951-22-5219-8.
20. Замбада, Хорхе. «Преимущества бездатчикового управления двигателем FOC». Журнал бытовой техники . Проверено 3 июня 2012 г.
21. Бозе (2006), с. 429
22. TI (1997). «Полево-ориентированное управление трехфазными двигателями переменного тока» (PDF) . ТИ.{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
23. Дидье, Жан-Луи. «Трансформация трехфазных систем Фортескью, Кларка, Парка и Ку». Архивировано из оригинала 7 апреля 2014 года . Проверено 4 июня 2012 г.
24. Синха, Нареш Кумар (1986). Микропроцессорные системы управления. Издательство Д. Рейделя. стр. 161 и 175. ISBN. 90-277-2287-0.
25. Бозе (2006), с. 474
26. Бозе (2006), стр. 419, 474.
27. Бозе (2006), с. 423-425
28. Донг, Ган (декабрь 2007 г.). «Бездатчиковое и оптимизированное по эффективности управление асинхронной машиной со схемами ШИМ-модуляции связанного преобразователя» (PDF) . Технологический университет Теннесси. п. 10 . Проверено 16 мая 2012 г.