Vektorové ovládání bez zpětné vazby. Moderní problémy vědy a vzdělávání. Podívejte se, co je "Vektorové řízení" v jiných slovnících

25.01.2022

- Co je vektorové řízení?
- Udržujte proud na 90 stupních.

Pojem "vektorové řízení" elektromotorů zná každý, kdo se alespoň nějak zajímá o otázku, jak ovládat střídavý motor pomocí mikrokontroléru. Obvykle je však v každé knize o elektrických pohonech kapitola o vektorovém řízení někde na konci, skládá se z hromady chlupatých vzorců s odkazy na všechny ostatní kapitoly knihy. Proč této problematice vůbec nechci rozumět. A i ta nejjednodušší vysvětlení si stále razí cestu diferenciálními rovnicemi rovnováhy, vektorovými diagramy a hromadou další matematiky. Kvůli čemu jsou přibližně takové pokusy nějak roztočit motor bez použití mat.chasti. Ale ve skutečnosti je vektorové ovládání velmi jednoduché, pokud rozumíte principu jeho fungování „na prstech“. A tam bude v případě potřeby zábavnější řešit vzorce.

Princip činnosti synchronního stroje

Zvažte princip fungování nejjednoduššího střídavého motoru - synchronního stroje s permanentními magnety. Vhodným příkladem je kompas: jeho magnetická střelka je rotorem synchronního stroje a magnetické pole Země je magnetické pole statoru. Bez vnější zátěže (a v kompasu žádná není, kromě tření a kapaliny, která tlumí vibrace šipky), je rotor vždy orientován podél pole statoru. Pokud držíme kompas a otáčíme Zemí pod ním, pak se za ním bude točit šipka, která bude dělat práci při míchání kapaliny uvnitř kompasu. Existuje ale o něco jednodušší způsob - můžete si vzít externí magnet, například ve formě tyče s póly na koncích, jejíž pole je mnohem silnější než magnetické pole Země, přivést jej ke kompasu shora a otočte magnetem. Šipka bude sledovat rotující magnetické pole. U skutečného synchronního motoru je pole statoru vytvářeno elektromagnety - cívkami s proudem. Schémata vinutí jsou složitá, ale princip je stejný - vytvářejí magnetické pole se statorem, nasměrované správným směrem a mající správnou amplitudu. Podívejme se na následující obrázek (Obrázek 1). Uprostřed je magnet - rotor synchronního motoru ("jehla" kompasu) a po stranách jsou dva elektromagnety - cívky, z nichž každý vytváří své vlastní magnetické pole, jeden ve svislé ose, druhý ve svislé ose. horizontální.

Obrázek 1. Princip činnosti synchronního elektrického stroje

Magnetický tok cívky je úměrný proudu v ní (v prvním přiblížení). Nás bude zajímat magnetický tok od statoru v místě, kde se nachází rotor, tzn. ve středu figury (zanedbáváme okrajové efekty, rozptyl a vše ostatní). Magnetické toky dvou kolmých cívek se sčítají vektorově a tvoří jeden společný tok pro interakci s rotorem. Ale protože je tok úměrný proudu v cívce, je vhodné kreslit vektory proudu přímo a zarovnat je s tokem. Obrázek ukazuje některé proudy Iα A Ip, vytvářející magnetické toky podél os α a β. Celkový vektor proudu statoru Je vytváří ko-směrný statorový magnetický tok. Tito. ve skutečnosti Je symbolizuje vnější magnet, který jsme přivedli ke kompasu, ale vytvořili ho elektromagnety - cívky s proudem.
Na obrázku je rotor umístěn v libovolné poloze, ale z této polohy bude mít rotor tendenci se otáčet podle magnetického toku statoru, tzn. podle vektoru Je(poloha rotoru je v tomto případě znázorněna tečkovanou čarou). Pokud je tedy proud aplikován pouze na fázi α řekni Iα\u003d 1A, rotor bude stát vodorovně, a pokud je v β, svisle, a pokud použijete Ip= -1A, pak se překlopí o 180 stupňů. Pokud dodáváte proud Iα podle sinusového zákona a Ip podle kosinusového zákona času vznikne rotující magnetické pole. Rotor jej bude následovat a otáčet se (jako střelka kompasu sleduje otáčení magnetu ručně). To je základní princip fungování synchronního stroje, v tomto případě dvoufázového s jedním párem plusů.
Nakreslíme graf momentu motoru v závislosti na úhlové poloze hřídele rotoru a vektoru proudu Je stator - úhlová charakteristika synchronního motoru. Tato závislost je sinusová (obrázek 2).

Obrázek 2. Úhlová charakteristika synchronního stroje (existuje určitý historický zmatek se znaky momentu a úhlu, proto se charakteristika často kreslí obráceně vzhledem k vodorovné ose).

Chcete-li získat tento graf v praxi, můžete umístit snímač točivého momentu na hřídel rotoru a poté zapnout libovolný vektor proudu, například jednoduše přivést proud do fáze α. Rotor se otočí do odpovídající polohy, která musí být brána jako nula. Poté pomocí snímače točivého momentu „rukama“ musíte otočit rotor a v každém bodě zafixovat úhel na grafu θ , kterou otočili, a okamžik, který senzor ukázal. Tito. musíte protáhnout "magnetickou pružinu" motoru přes snímač točivého momentu. Největší moment bude pod úhlem 90 stupňů od aktuálního vektoru (od začátku). Amplituda výsledného maximálního momentu M max je úměrná amplitudě aplikovaného vektoru proudu. Pokud použijeme 1A, dostaneme řekněme M max = 1 N∙m (newton * metr, jednotka točivého momentu), pokud použijeme 2A, dostaneme M max = 2 N∙m.

Z této charakteristiky vyplývá, že motor vyvine největší točivý moment, když je rotor v úhlu 90° k vektoru proudu. Protože při vytváření řídicího systému na mikrokontroléru chceme z motoru získat největší točivý moment s minimálními ztrátami a ztráty jsou především proudem ve vinutí, je nejracionálnější nastavit vektor proudu vždy pod úhlem 90° k magnetickému poli rotoru, tzn. kolmo k magnetu na obrázku 1. Vše je nutné změnit obráceně - ne rotor jde na námi nastavený vektor proudu, ale vždy nastavíme vektor proudu na 90° k rotoru, ať se tam otáčí jakkoli , tj. "přibijte" proudový vektor na rotor. Moment motoru budeme regulovat amplitudou proudu. Čím větší je amplituda, tím vyšší je moment. A frekvence otáčení, frekvence proudu ve vinutí už není „naší“ záležitostí - co se stane, jak se rotor bude otáčet, bude to tak - řídíme moment na hřídeli. Kupodivu se tomu říká vektorové řízení - když řídíme vektor statorového proudu tak, aby byl v úhlu 90° k magnetickému poli rotoru. Ačkoli některé učebnice poskytují širší definice, až do té míry, že vektorové řízení se obecně nazývá jakékoli zákony řízení, kde jsou zapojeny „vektory“, ale obvykle je vektorové řízení chápáno jako výše uvedená metoda řízení.

Vytvoření struktury vektorového řízení

Jak se ale v praxi dosahuje vektorového řízení? Je zřejmé, že nejprve musíte znát polohu rotoru, aby bylo co měřit 90 ° vzhledem k. Nejsnadněji to lze provést instalací snímače polohy na hřídel rotoru. Pak musíte přijít na to, jak vytvořit proudový vektor a udržovat požadované proudy ve fázích α A β . Na motor přivádíme napětí, ne proud ... Ale jelikož chceme něco podpořit, musíme to změřit. Proto jsou pro vektorové řízení potřeba snímače fázového proudu. Dále je potřeba sestavit strukturu vektorového řízení ve formě programu na mikrokontroléru, který bude dělat vše ostatní. Aby toto vysvětlení nevypadalo jako návod „jak nakreslit sovu“, pokračujme v ponoru.
Proud mikrokontrolérem můžete udržovat pomocí softwarového PI (proporcionálně-integrálního) regulátoru proudu a PWM. Například struktura regulátoru proudu pro jednu fázi α je znázorněna níže (obrázek 3).

Obrázek 3. Struktura řízení proudové smyčky pro jednu fázi

Zde aktuální nastavení i α_set- určitá konstanta, proud, který chceme pro tuto fázi udržet, například 1A. Úkol přejde na sčítačku regulátoru proudu, jejíž zveřejněná struktura je znázorněna výše. Pokud čtenář neví, jak funguje PI regulátor, pak, bohužel, ach. Něco z toho mohu jen doporučit. Regulátor výstupního proudu nastavuje fázové napětí Uα. Napětí je přiváděno do bloku PWM, který vypočítává pracovní cykly (srovnávací nastavení) pro časovače PWM mikrokontroléru a vytváří tak PWM na čtyřklíčovém můstkovém invertoru. Uα. Algoritmus může být různý, například pro kladné PWM napětí je pravý stojan úměrný nastavení napětí, spodní spínač je sepnut vlevo, pro záporné PWM je levý a spodní sepnut. právo. Nezapomeňte přidat mrtvý čas! Výsledkem je, že taková struktura dělá softwarový „zdroj proudu“ díky zdroji napětí: nastavíme hodnotu, kterou potřebujeme i α_set a daná struktura jej implementuje s určitou rychlostí.

Dále si možná někteří čtenáři již mysleli, že před vektorovou řídicí strukturou je věc malá - musíte dát dva proudové regulátory pro každou fázi regulátoru a vytvořit na nich úlohu v závislosti na úhlu od polohy rotoru. senzor (RPS), tj. udělejte něco jako tuto strukturu (obrázek 4):

Obrázek 4. Nesprávná (naivní) struktura vektorového řízení

To nemůžeš. Když se rotor otáčí, proměnné i α_set A i β_set bude sinusový, tzn. aktuální nastavení regulátoru se bude neustále měnit. Rychlost ovladače není nekonečná, takže když se úkol změní, hned to nevyřeší. Pokud se úkol neustále mění, regulátor ho bude neustále dohánět a nikdy ho nedosáhne. A se zvyšováním rychlosti otáčení motoru bude zpoždění skutečného proudu od daného stále větší, až požadovaný úhel 90 ° mezi proudem a magnetem rotoru přestane být podobný tomu při všechny a vektorové řízení přestává být takové. Proto to dělají jinak. Správná struktura je následující (obrázek 5):

Obrázek 5. Struktura řízení vektorového snímače pro dvoufázový synchronní stroj

Zde byly přidány dva bloky - BKP_1 a BKP_2: bloky transformací souřadnic. Dělají velmi jednoduchou věc: otočí vstupní vektor o daný úhel. Navíc se BPK_1 otočí na + ϴ , a BKP_2 na - ϴ . To je celý rozdíl mezi nimi. V zahraniční literatuře se jim říká Parkové proměny. BKP_2 provádí transformaci souřadnic pro proudy: z pevných os α A β , svázaný se statorem motoru, s rotačními osami d A q přivázaný k rotoru motoru (pomocí úhlu polohy rotoru ϴ ). A BKP_1 provede obrácenou transformaci, od nastavení napětí podél os d A q dělá přechod do os α A β . Vzorce pro transformaci souřadnic neuvádím, ale jsou jednoduché a velmi snadno dohledatelné. Ve skutečnosti není nic složitějšího než školní geometrie (obrázek 6):

Obrázek 6. Transformace souřadnic z pevných os α a β, spojených se statorem motoru, na rotační osy d A q připevněný k rotoru

To znamená, že namísto „rotace“ úlohy regulátorů (jak tomu bylo v předchozí struktuře) rotují jejich vstupy a výstupy a samotné regulátory pracují ve statickém režimu: proudy d, q a výstupy regulátorů v ustáleném stavu jsou konstantní. sekery d A q otáčejí spolu s rotorem (takto je otáčí signál ze snímače polohy rotoru), zatímco osový regulátor q reguluje přesně proud, který jsem na začátku článku nazval „kolmo k poli rotoru“, to znamená, že se jedná o proud generující točivý moment a proud d ve společné režii s "magnetem rotoru", takže ho nepotřebujeme a nastavíme ho na nulu. Taková konstrukce je ušetřena nevýhody první konstrukce – současné regulátory ani nevědí, že se někde něco točí. Pracují ve statickém režimu: upravili každý svůj proud, dosáhli daného napětí – a je to, neutíkej před nimi jako rotor, ani o tom nebudou vědět: veškerou práci dělají souřadnicové transformační jednotky při otáčení.

Pro vysvětlení "na prstech" můžete uvést nějakou analogii.

Pro lineární provoz nechť je to například městský autobus. Neustále zrychluje, pak zpomaluje, pak se vrací zpět a celkově se chová, jak chce: to je rotor motoru. Jste také v autě poblíž a jedete paralelně: vaším úkolem je být přesně uprostřed autobusu: „udržovat 90°“, jste aktuálními regulátory. Pokud autobus neustále mění rychlost, musíte také odpovídajícím způsobem měnit rychlost a neustále ji sledovat. Ale teď pro vás uděláme "vektorovou kontrolu". Vlezli jste do autobusu, postavili se doprostřed a drželi se zábradlí – stejně jako autobus neutíkej, snadno si poradíte s úkolem „být uprostřed autobusu“. Stejně tak regulátory proudu, „valící se“ v rotačních osách d, q rotoru, žijí snadným životem.

Výše uvedená struktura skutečně funguje a používá se v moderních elektrických pohonech. Jen tomu chybí celá hromada drobných "vylepšení", bez kterých už to není zvykem, jako kompenzace křížové vazby, různá omezení, zeslabování pole atp. Ale základní princip je právě takový.

A pokud potřebujete regulovat nikoli točivý moment pohonu, ale stále otáčky (podle správné úhlové rychlosti, rychlosti otáčení)? No, pak jsme dali další PI regulátor - regulátor otáček (RS). Na vstupu dáváme referenci otáček a na výstupu máme referenci točivého momentu. Od osového proudu q je úměrný točivému momentu, je možné zjednodušit výstup regulátoru otáček přímo na vstup regulátoru osového proudu q, takto (obrázek 7):

Obrázek 7. Regulátor rychlosti pro vektorové řízení
Zde je ZI regulátorem intenzity, plynule mění svůj výkon tak, aby motor zrychloval požadovaným tempem, a nejede naplno, dokud nejsou nastaveny otáčky. Aktuální rychlost ω je převzata z manipulátoru snímače polohy rotoru, od ω je derivace úhlové polohy ϴ . No, nebo můžete jen zjistit čas mezi impulsy senzoru ...

Jak udělat totéž pro třífázový motor? No, vlastně nic zvláštního, přidáme další blok a vyměníme modul PWM (obrázek 8).

Obrázek 8. Struktura řízení vektorového snímače pro třífázový synchronní stroj

Třífázové proudy, stejně jako dvoufázové, slouží jedinému účelu - vytvořit vektor statorového proudu Je, směrované v požadovaném směru a mající požadovanou amplitudu. Proto lze třífázové proudy jednoduše převést na dvoufázové a poté opustit stejný řídicí systém, který již byl sestaven pro dvoufázový stroj. V anglicky psané literatuře se takový „přepočet“ nazývá Clarkeova transformace (je jí Edith Clarke), v našem případě fázové transformace. Ve struktuře na obrázku 8 je to provedeno blokem fázových transformací. Jsou vyrobeny opět pomocí kurzu školní geometrie (obrázek 9):

Obrázek 9. Převody fází - ze tří fází na dvě. Pro usnadnění akceptujeme rovnost amplitudy vektoru I s amplitudou proudu ve fázi

Myslím, že komentáře nejsou potřeba. Pár slov k proudu fáze C. Nepotřebujete tam dávat proudové čidlo, jelikož tři fáze motoru jsou spojeny do hvězdy a podle Kirchhoffova zákona musí protékat vše, co proteklo dvěma fázemi. ze třetího (pokud ovšem váš motor nemá porušenou izolaci a polovina neunikla někde na karoserii), takže proud fáze C se vypočítá jako skalární součet proudů fází A a B s a znaménko mínus. I když je někdy instalován třetí senzor, aby se snížila chyba měření.

Potřebujete také kompletní přepracování modulu PWM. Obvykle se pro třífázové motory používá třífázový šestispínačový měnič. Na obrázku je napěťová reference stále přijímána ve dvoufázových osách. Uvnitř PWM modulu lze pomocí inverzních fázových transformací toto převést na napětí fází A, B, C, které je v tuto chvíli nutné přivést na motor. Ale co dělat dál... Možnosti jsou možné. Naivní metodou je dát každé invertorové jednotce pracovní cyklus úměrný požadovanému napětí plus 0,5. Toto se nazývá sinusové PWM. Právě tuto metodu autor použil na habrahabr.ru/post/128407. U této metody je vše v pořádku, až na to, že tato metoda nedostatečně využije napěťový střídač - tzn. maximální napětí, které bude získáno, bude nižší, než jaké byste mohli získat, pokud byste použili pokročilejší metodu PWM.

Pojďme počítat. Nechte si nechat klasický frekvenční měnič napájený průmyslovou třífázovou sítí 380V 50Hz. Zde je 380V lineární (mezi fázemi) provozní napětí. Jelikož je v převodníku usměrňovač, tak toto napětí usměrní a stejnosměrná sběrnice bude mít napětí rovné amplitudovému lineárnímu napětí, tzn. 380∙√2=540VDC (alespoň bez zátěže). Pokud použijeme sinusový výpočetní algoritmus v modulu PWM, pak amplituda maximálního fázového napětí, kterou dokážeme udělat, bude rovna polovině napětí na stejnosměrné sběrnici, tzn. 540/2=270V. Přepočítejme do aktuální fáze: 270/√2=191V. A nyní do proudu lineárního: 191∙√3=330V. Nyní můžeme porovnávat: dostali jsme 380V a vyšlo 330V ... A více s tímto typem PWM je nemožné. K nápravě tohoto problému se používá tzv. vektorový typ PWM. V něm bude na výstupu opět 380V (v ideálním případě bez zohlednění všech úbytků napětí). Vector PWM nemá nic společného s vektorovým řízením motoru. Jen je v jejím odůvodnění opět použito trochu školní geometrie, proto se jí říká vektorová. Jeho dílo se ale nedá vysvětlit na prstech, takže čtenáře pošlu do knih (na konci článku) nebo na Wikipedii. Mohu také poskytnout obrázek, který trochu naznačuje rozdíl ve fungování sinusového a vektorového PWM (obrázek 10):

Obrázek 10. Změna fázových potenciálů pro skalární a vektorové PWM

Typy snímačů polohy

Mimochodem, jaké snímače polohy se používají pro vektorové řízení? Nejčastěji se používají čtyři typy senzorů. Jedná se o kvadraturní inkrementální kodér, kodér Hallových prvků, kodér absolutní polohy a kodér selsyn.
Kvadraturní kodér neudává absolutní polohu rotoru - svými impulsy umožňuje pouze určit, kolik jste ujeli, ale ne kam a odkud (jelikož začátek a konec souvisí s umístěním magnetu rotoru). Proto není vhodný pro vektorové řízení synchronního stroje sám o sobě. Situaci trochu zachraňuje její výchozí značka (index) - je jedna za mechanickou otáčku, pokud ji dosáhnete, pak se zjistí absolutní poloha a z ní už můžete počítat, kolik jste ujeli kvadraturním signálem. Jak se ale k tomuto označení na začátku práce dostat? Obecně to není vždy nepohodlné.
Hallův elementový senzor je hrubý senzor. Vyrábí pouze několik impulzů na otáčku (v závislosti na počtu Hallových prvků, u třífázových motorů jsou to obvykle tři, tedy šest impulzů), což umožňuje znát polohu v absolutních hodnotách, ale s nízkou přesností. Přesnost je obvykle dostatečná pro dodržení úhlu vektoru proudu, takže motor jede alespoň dopředu a ne dozadu, ale kroutící moment a proudy budou pulzovat. Pokud motor zrychlil, pak můžete začít programově extrapolovat signál ze snímače v čase - tzn. vytvořte lineárně se měnící úhel z hrubého diskrétního úhlu. To se provádí na základě předpokladu, že se motor otáčí zhruba konstantní rychlostí, něco takového (obrázek 11):

Obrázek 11. Činnost snímače polohy na Hallových prvcích pro třífázový stroj a extrapolace jeho signálu

U servomotorů se často používá kombinace kodéru a Hallova snímače. V tomto případě je možné vyrobit jediný softwarový modul pro jejich zpracování, čímž se odstraní nevýhody obou: extrapolovat úhel uvedený výše, ale ne podle času, ale podle značek z kodéru. Tito. uvnitř, od přední části k přední části Hallova senzoru, funguje kodér a každá přední strana Hall jasně inicializuje aktuální absolutní úhlovou polohu. V tomto případě bude pouze první pohyb pohonu suboptimální (ne pod 90°), dokud nedosáhne některé přední části Hallova senzoru. Samostatným problémem je v tomto případě zpracování neideality obou snímačů - symetricky a jednotně Hallovy prvky jsou k dispozici jen zřídka...

V ještě dražších aplikacích absolutní kodér s digitálním rozhraním (absolutní kodér), který okamžitě udává absolutní polohu a umožňuje vám nezažít výše popsané problémy.

Pokud je motor velmi horký a také když je vyžadována zvýšená přesnost měření úhlu, použijte „analogový“ senzor selsyn(resolver, rotační transformátor). Je to malý elektrický stroj používaný jako senzor. Představte si, že v synchronním stroji, který jsme uvažovali na obrázku 1, je místo magnetů jiná cívka, na kterou aplikujeme vysokofrekvenční signál. Pokud je rotor vodorovný, pak se signál bude indukovat pouze v cívce fázového statoru α , pokud vertikálně, tak pouze dovnitř β , pokud to otočíte o 180, tak se fáze signálu změní a v mezipolohách se indukuje tam a zpět podle zákona sinus / kosinus. V souladu s tím, měřením amplitudy signálu ve dvou cívkách, poměr této amplitudy a fázového posunu může také určit polohu. Instalací takového stroje jako snímače k hlavnímu můžete zjistit polohu rotoru.
Existuje mnoho exotičtějších snímačů polohy, zejména pro velmi přesné aplikace, jako je výroba elektronických čipů. Tam se již používají jakékoliv fyzikální jevy, aby se pouze co nejpřesněji zjistila poloha. Nebudeme je brát v úvahu.

Zjednodušení vektorového ovládání

Jak jste pochopili, vektorové řízení je docela náročné - nastavte na něj snímače polohy a na to snímače proudu a vektorové PWM a mikrokontrolér není jakkoli spočítat celou tuto matematiku. Proto je pro jednoduché aplikace zjednodušené. Pro začátek můžete eliminovat snímač polohy vytvořením bezsenzorového vektorového řízení. K tomu použijte trochu více matematické magie, která se nachází ve žlutém obdélníku (obrázek 12):

Obrázek 12. Bezsenzorová vektorová řídicí struktura

Pozorovatel je blok, který přijímá informace o napětí aplikovaném na motor (například z úlohy pro modul PWM) a o proudech v motoru ze snímačů. Uvnitř pozorovatele pracuje model elektromotoru, který se, zhruba řečeno, snaží přizpůsobit své proudy ve statoru těm naměřeným ze skutečného motoru. Pokud by uspěla, pak můžeme předpokládat, že i poloha rotoru simulovaná uvnitř hřídele se shoduje s tou skutečnou a lze ji využít pro potřeby vektorového řízení. No, to je samozřejmě dost zjednodušené. Typy takových pozorovatelů nelze spočítat. Každý absolvent oboru "elektrický pohon" se snaží vymyslet svůj vlastní, který je o něco lepší než ostatní. Základním principem je sledování EMF elektromotoru. Proto je nejčastěji bezsenzorový řídicí systém provozuschopný pouze při relativně vysoké rychlosti, kde je EMF velké. Ve srovnání s přítomností senzoru má také řadu nevýhod: potřebujete znát parametry motoru, rychlost jízdy je omezená (pokud se rychlost dramaticky změní, pozorovatel ji nemusí mít čas sledovat a „ lhát“ nějakou dobu, nebo se dokonce „rozpadnout“ úplně) , nastavení pozorovatele je celý postup, pro jeho kvalitní práci je potřeba přesně znát napětí na motoru, přesně měřit jeho proudy atd.

Existuje další možnost zjednodušení. Můžete například provést takzvané „automatické přepínání“. V tomto případě se u třífázového motoru upouští od komplexní metody PWM, upouští se od složité vektorové struktury a fáze motoru jsou jednoduše zapnuty snímačem polohy na Hallových prvcích, a to i někdy bez omezení proudu. Proud ve fázích není sinusový, ale lichoběžníkový, obdélníkový, nebo ještě více zkreslený. Volbou okamžiku sepnutí fází se ale snaží zajistit, aby průměrný vektor proudu byl stále 90 stupňů k „magnetu rotoru“. V tomto případě, včetně fáze pod napětím, není známo, kdy se proud ve fázi motoru zvýší. Při nízké rychlosti to dělá rychleji, při vysoké rychlosti, kde ruší EMF stroje, pomaleji a rychlost nárůstu proudu závisí na indukčnosti motoru atd. Proto i při zahrnutí fází v přesně ten správný čas vůbec neplatí, že průměrný vektor proudu bude na správném místě a se správnou fází – může buď vést, nebo zaostávat oproti optimálním 90 stupňům. Proto je v takových systémech zavedeno nastavení „předstihu komutace“ - ve skutečnosti je jen čas, o kolik dříve je nutné přivést napětí na fázi motoru, aby se ve výsledku fáze vektoru proudu přiblížila 90 stupňů. Jednoduchým způsobem se tomu říká „vyladění časování“. Vzhledem k tomu, že proud v elektromotoru při automatickém spínání není sinusový, pak pokud vezmeme výše diskutovaný sinusový stroj a budeme jej takto ovládat, bude moment na hřídeli pulzovat. Proto se u motorů určených pro automatické přepínání magnetická geometrie rotoru a statoru často mění zvláštním způsobem, aby byly pro tento typ řízení vhodnější: EMF těchto strojů je vyrobeno lichoběžníkové, díky čemuž fungují lepší v režimu automatického přepínání. Synchronní stroje optimalizované pro autokomutaci se nazývají bezkomutátorové stejnosměrné motory (BLDC) nebo anglicky BLDC (Brushless Direct Current Motor). Režim automatického přepínání se také často nazývá ventilový režim a motory, které s ním pracují, jsou ventilové. Všechno jsou to ale jen různé názvy, které podstatu nijak neovlivňují (ale ostřílené elektropohony často trpí SPGS ve věcech souvisejících s těmito názvy). Existuje dobré video ilustrující princip fungování takových strojů. Ukazuje motor obrácený, s rotorem na vnější straně a statorem na vnitřní straně:

Ale existuje kurz článků o takových motorech a hardwaru řídicího systému.

Můžete dokonce jít na ještě větší zjednodušení. Přepněte vinutí tak, aby jedna fáze byla stále „volná“ a nebylo na ni aplikováno PWM. Pak v něm můžete změřit EMF (napětí indukované ve fázové cívce) a když toto napětí projde nulou, použít jej jako signál snímače polohy rotoru, protože fáze tohoto indukovaného napětí závisí přesně na poloze rotoru. Ukazuje se bezsenzorové automatické spínání, které je široce používáno v různých jednoduchých pohonech, například v "regulátorech" vrtulí leteckých modelů. Zároveň je třeba mít na paměti, že EMF stroje se objevuje pouze při relativně vysoké rychlosti, takže pro spuštění takové řídicí systémy jednoduše pomalu třídí fáze a doufají, že rotor motoru bude sledovat dodávaný proud. Jakmile se objeví EMF, zapne se režim automatického přepínání. Bezsenzorový systém (tak jednoduchý a většinou i složitý) se proto nehodí pro úkoly, kde motor musí být schopen vyvinout točivý moment v téměř nulových otáčkách, například pro trakční pohon automobilu (nebo jeho modelu) , servopohon nějakého mechanismu atd. P. Ale bezsenzorový systém je úspěšně vhodný pro čerpadla a ventilátory, kde se používá.

Někdy však dochází k ještě většímu zjednodušení. Přepnutím fází pomocí speciálního mechanického spínače můžete zcela opustit mikrokontrolér, klíče, snímače polohy a další věci (obrázek 13):

Obrázek 13. Mechanický spínač pro spínání vinutí

Během rotace rotor sám přepíná své části vinutí a mění napětí, které je na ně přiváděno, zatímco proud v rotoru protéká střídavě. Komutátor je umístěn tak, že magnetický tok rotoru a statoru je opět blízko 90 stupňů, aby bylo dosaženo maximálního točivého momentu. Takovým motorům se sice naivně říká stejnosměrné motory, ale zcela nezaslouženě: uvnitř, po kolektoru, je proud stále střídavý!

Závěr

Všechny elektrické stroje fungují podobným způsobem. V teorii elektrického pohonu existuje dokonce pojem „generalizovaný elektrický stroj“, na který se redukuje práce ostatních. Vysvětlení „na prstech“ uvedené v článku nemůže v žádném případě sloužit jako praktický návod k psaní kódu mikrokontroléru. Článek považuje za dobře jedno procento informací, které jsou potřebné pro implementaci tohoto vektorového řízení. Chcete-li něco udělat v praxi, musíte nejprve znát TAU, alespoň na úrovni pochopení toho, jak funguje PI regulátor. Pak je třeba ještě nastudovat matematický popis jak synchronního stroje, tak i syntézu vektorového řízení. Studujte také vektorové PWM, zjistěte, co jsou to pólové páry, seznamte se s typy vinutí strojů a další. To lze provést v nedávné knize „Anuchin A.S. Electric drive control systems. MPEI, 2015“, stejně jako v „Kalachev Yu. N. Vector Regulation (praktické poznámky)“. Čtenáře je třeba varovat před ponořením se do vzorců „starých“ učebnic o pohonu, kde je hlavní důraz kladen na zohlednění vlastností elektromotorů při napájení přímo z třífázové průmyslové sítě, bez jakýchkoliv mikrokontrolérů a snímačů polohy. Chování motorů je v tomto případě popsáno složitými vzorci a závislostmi, ale pro problém vektorového řízení jsou téměř k ničemu (pokud jsou pouze studovány pro vlastní vývoj). Opatrní byste měli být zejména s doporučeními starých učebnic, kde se například říká, že synchronní stroj by neměl pracovat na maximum svého momentu, jelikož práce je tam nestabilní a hrozí převrácení - pro vektorové řízení jsou všechny to je "špatná rada".

Na jakém mikrokontroléru si můžete udělat plnohodnotné vektorové řízení, se dočtete například v našem článku Nový domácí motorový mikrokontrolér K1921VK01T JSC "NIIET" a jak jej odladit v článku Metody odladění softwaru mikrokontroléru v elektrickém pohonu . Navštivte také naše webové stránky: jsou tam zveřejněna zejména dvě nudná videa, kde v praxi ukazují, jak nastavit aktuální PI regulátor a jak funguje proudově uzavřená a vektorová bezsenzorová řídicí struktura. Kromě toho si můžete zakoupit ladicí sadu s hotovou strukturou vektorového řízení snímače na domácím mikrokontroléru.

P.S.
Omlouvám se odborníkům za ne zcela správné zacházení s některými pojmy, zejména s pojmy "tok", "vazba toku", "magnetické pole" a další - jednoduchost vyžaduje oběti...

vektorové ovládání

vektorové ovládání je způsob řízení pro synchronní a asynchronní motory, který nejen generuje harmonické proudy (napětí) fází (skalární řízení), ale také zajišťuje řízení magnetického toku rotoru. První implementace principu vektorového řízení a algoritmy se zvýšenou přesností vyžadují použití snímačů polohy (otáček) rotoru.

Obecně platí, že pod vektorové ovládání" je chápána jako interakce řídicího zařízení s tzv. "prostorovým vektorem", který rotuje s frekvencí motorového pole.

Matematický aparát vektorového řízení

Nadace Wikimedia. 2010 .

Podívejte se, co je "Vektorové řízení" v jiných slovnících:

Kalka s ním. vectorregelung. Způsob řízení rychlosti otáčení a/nebo točivého momentu elektromotoru prostřednictvím působení měniče elektrického pohonu na vektorové složky proudu statoru elektromotoru. V ruskojazyčné literatuře v ... Wikipedii

Řešení problému optimálního řízení matematické teorie, ve kterém je řídící akce u=u(t) tvořena jako funkce času (tím se předpokládá, že v průběhu procesu žádná informace, kromě té, která je uvedena na samém začátku , vstoupí do systému ... ... Matematická encyklopedie

- Řídicí systém (frekvenčně řízený pohon, VFD, Variable Frequency Drive, VFD) pro otáčky rotoru asynchronního (nebo synchronního) elektromotoru. Skládá se ze skutečného motoru a frekvenčního měniče ... Wikipedia

Tento termín má jiné významy, viz CNC (významy). Tato stránka je navržena ke sloučení s CNC. Vysvětlení důvodů a diskuse na stránce Wikipedie: Ke sjednocení / 25 f ... Wikipedie

Stator a rotor asynchronního stroje 0,75 kW, 1420 ot./min, 50 Hz, 230 400 V, 3,4 2,0 A Asynchronní stroj je střídavý elektrický stroj ... Wikipedia

- (DPR) část elektromotoru. U kolektorových elektromotorů je snímač polohy rotoru sestava kartáč-kolektor, která je také proudovým spínačem. U bezkomutátorových motorů může být snímač polohy rotoru různých typů ... Wikipedia

DS3 DS3 010 Základní údaje Země výroby ... Wikipedie

Asynchronní stroj je střídavý elektrický stroj, jehož rychlost rotoru není stejná (menší než) rychlost otáčení magnetického pole vytvářeného proudem statorového vinutí. Asynchronní stroje jsou nejběžnější elektrické ... ... Wikipedie

Podle posledních statistik přibližně 70 % veškeré vyrobené elektřiny na světě spotřebuje elektrický pohon. A toto procento každým rokem roste.

Správně zvoleným způsobem ovládání elektromotoru lze získat maximální účinnost, maximální krouticí moment na hřídeli elektromotoru a zároveň se zvýší celkový výkon mechanismu. Efektivně běžící elektromotory spotřebují minimum elektrické energie a poskytují maximální účinnost.

U elektromotorů poháněných frekvenčním měničem bude účinnost do značné míry záviset na zvoleném způsobu ovládání elektrického stroje. Pouze pochopením výhod každé metody mohou technici a konstruktéři získat nejlepší výkon z každé metody ovládání.
Obsah:

Kontrolní metody

Mnoho lidí pracujících v oblasti automatizace, kteří se však úzce nezabývají vývojem a implementací systémů elektrického pohonu, se domnívá, že řízení elektromotoru se skládá ze sekvence příkazů zadávaných pomocí rozhraní z ovládacího panelu nebo PC. Ano, z pohledu obecné hierarchie ovládání automatizovaného systému je to správně, ale stále existují způsoby, jak ovládat samotný elektromotor. Právě tyto metody budou mít maximální dopad na výkon celého systému.

Pro asynchronní motory připojené k frekvenčnímu měniči existují čtyři základní způsoby řízení:

U / f - volt na hertz;
U/f s kodérem;
vektorové řízení s otevřenou smyčkou;
vektorové řízení s uzavřenou smyčkou;

Všechny čtyři metody využívají pulzní šířkovou modulaci PWM, která mění šířku pevného signálu změnou šířky pulzu za účelem vytvoření analogového signálu.

Pulzní šířková modulace se aplikuje na měnič kmitočtu pomocí pevného napětí stejnosměrné sběrnice. rychlým otevíráním a zavíráním (přesněji přepínáním) generovat výstupní impulsy. Změnou šířky těchto impulsů se na výstupu získá "sinusovka" požadované frekvence. I když je tvar výstupního napětí tranzistorů pulzní, proud je stále získáván ve formě sinusoidy, protože elektromotor má indukčnost, která ovlivňuje tvar proudu. Všechny způsoby řízení jsou založeny na PWM modulaci. Rozdíl mezi způsoby řízení je pouze ve způsobu výpočtu přiváděného napětí do motoru.

V tomto případě nosná frekvence (zobrazená červeně) představuje maximální spínací frekvenci tranzistorů. Nosná frekvence u měničů je obvykle mezi 2 kHz - 15 kHz. Referenční frekvence (zobrazená modře) je výstupní signál referenční frekvence. U měničů použitelných v konvenčních pohonných systémech leží zpravidla v rozsahu 0 Hz - 60 Hz. Když jsou signály dvou frekvencí superponovány na sebe, bude vydán signál otevření tranzistoru (označený černě), který dodává energii do elektromotoru.

Způsob řízení V/F

Volt-per-hertz ovládání, nejčastěji označované jako V/F, je možná nejjednodušší způsob regulace. Pro svou jednoduchost a minimální počet parametrů potřebných pro provoz se často používá v jednoduchých systémech elektrického pohonu. Tento způsob ovládání nevyžaduje povinnou instalaci kodéru a povinné nastavení pro frekvenčně řízený elektrický pohon (ale je doporučeno). To má za následek nižší náklady na pomocná zařízení (snímače, zpětnovazební vodiče, relé atd.). Řízení U/F se poměrně často používá ve vysokofrekvenčních zařízeních, například se často používá u CNC strojů pro pohon otáčení vřetena.

Model s konstantním momentem má konstantní moment v celém rozsahu otáček při stejném poměru U/F. Model s proměnným poměrem točivého momentu má nižší napájecí napětí při nízkých otáčkách. To je nezbytné, aby se zabránilo saturaci elektrického stroje.

U/F je jediný způsob řízení rychlosti indukčního motoru, který umožňuje řízení více pohonů z jednoho frekvenčního měniče. Podle toho se všechny stroje spouštějí a zastavují ve stejnou dobu a pracují se stejnou frekvencí.

Tento způsob ovládání má ale několik omezení. Například při použití metody řízení V/F bez enkodéru není absolutně žádná jistota, že se hřídel indukčního stroje otáčí. Kromě toho je rozběhový moment elektrického stroje při frekvenci 3 Hz omezen na 150 %. Ano, omezený točivý moment je více než dostatečný pro většinu stávajících zařízení. Například téměř všechny ventilátory a čerpadla používají způsob řízení V/F.

Tato metoda je poměrně jednoduchá díky své volnější specifikaci. Regulace otáček je typicky v rozsahu 2% - 3% maximální výstupní frekvence. Rychlostní odezva se počítá pro frekvence nad 3 Hz. Rychlost odezvy měniče kmitočtu je určena rychlostí jeho odezvy na změnu referenční frekvence. Čím vyšší je rychlost odezvy, tím rychlejší je odezva měniče na změnu referenční rychlosti.

Rozsah regulace rychlosti při použití metody V/F je 1:40. Vynásobením tohoto poměru maximální pracovní frekvencí elektrického pohonu získáme hodnotu minimální frekvence, na které může elektrický stroj pracovat. Pokud je například maximální frekvence 60 Hz a rozpětí je 1:40, pak je minimální frekvence 1,5 Hz.

Vzor U/F určuje poměr frekvence a napětí během provozu frekvenčního měniče. Křivka pro nastavení rychlosti otáčení (frekvence elektromotoru) bude podle něj určovat kromě hodnoty frekvence i hodnotu napětí přiváděného na svorky elektrického stroje.

Operátoři a technici mohou v moderním frekvenčním měniči pomocí jediného parametru zvolit požadovaný vzor regulace U/F. Přednastavené šablony jsou již optimalizovány pro konkrétní aplikace. Nechybí ani možnost tvorby vlastních šablon, které budou optimalizovány pro konkrétní systém frekvenčního pohonu nebo elektromotoru.

Zařízení, jako jsou ventilátory nebo čerpadla, mají zatěžovací moment, který závisí na jejich rychlosti otáčení. Proměnný točivý moment (obrázek výše) vzoru V/F zabraňuje chybám seřízení a zlepšuje účinnost. Tento model regulace snižuje magnetizační proudy při nízkých frekvencích snížením napětí na elektrickém stroji.

Stroje s konstantním točivým momentem, jako jsou dopravníky, extrudéry a další zařízení, používají metodu řízení konstantního točivého momentu. Při konstantní zátěži je nutný plný magnetizační proud při všech rychlostech. V souladu s tím má charakteristika přímý sklon v celém rozsahu otáček.

Způsob ovládání U/F s kodérem

Pokud je potřeba zlepšit přesnost regulace rychlosti, je do řídicího systému přidán enkodér. Zavedení zpětné vazby rychlosti pomocí enkodéru umožňuje zvýšit přesnost regulace až na 0,03 %. Výstupní napětí bude stále určováno nastaveným vzorem U/F.

Tento způsob řízení nebyl široce používán, protože výhody, které představuje ve srovnání se standardními funkcemi V/F, jsou minimální. Rozběhový moment, rychlost odezvy a rozsah regulace rychlosti jsou všechny totožné se standardním V/F. Navíc se zvýšením pracovních frekvencí mohou nastat problémy s provozem kodéru, protože má omezený počet otáček.

Otevřete vektorové ovládání smyčky

Open Loop Vector Control (VU) se používá pro širší a dynamičtější řízení rychlosti elektrického stroje. Při spouštění z frekvenčního měniče mohou motory vyvinout rozběhový moment 200 % jmenovitého momentu při frekvenci pouhých 0,3 Hz. Tím se značně rozšiřuje výčet mechanismů, kde lze použít asynchronní elektrický pohon s vektorovým řízením. Tato metoda také umožňuje řídit točivý moment stroje ve všech čtyřech kvadrantech.

Točivý moment je omezen motorem. To je nezbytné, aby se zabránilo poškození zařízení, strojů nebo výrobků. Hodnota momentů je rozdělena do čtyř různých kvadrantů v závislosti na směru otáčení elektrického stroje (vpřed nebo vzad) a v závislosti na tom, zda elektromotor používá . Limity lze nastavit pro každý kvadrant samostatně nebo uživatel může nastavit celkový točivý moment ve frekvenčním měniči.

Motorový režim asynchronního stroje bude zajištěn tím, že magnetické pole rotoru zaostává za magnetickým polem statoru. Pokud magnetické pole rotoru začne předstihovat magnetické pole statoru, pak stroj přejde do režimu rekuperačního brzdění s návratem energie, jinými slovy, asynchronní motor se přepne do režimu generátoru.

Například stroj na uzavírání lahví může používat limit točivého momentu v kvadrantu 1 (dopředu s kladným točivým momentem), aby se zabránilo nadměrnému utažení uzávěru lahve. Mechanismus se pohybuje dopředu a využívá kladný krouticí moment k našroubování uzávěru na láhev. Na druhé straně zařízení, jako je výtah s protizávažím těžším než prázdná kabina, bude používat kvadrant 2 (reverzní rotace a kladný točivý moment). Pokud se auto zvedne do nejvyššího patra, pak točivý moment bude opačný než rychlost. To je nezbytné pro omezení rychlosti zdvihu a zabránění volnému pádu protizávaží, protože je těžší než kabina.

Proudová zpětná vazba v těchto frekvenčních měničích umožňuje nastavit limity točivého momentu a proudu motoru, protože jak se proud zvyšuje, roste i točivý moment. Výstupní napětí měniče se může zvýšit, pokud mechanismus vyžaduje větší točivý moment, nebo se snížit, pokud je dosaženo limitu. Díky tomu je princip vektorového řízení asynchronního stroje flexibilnější a dynamičtější než princip U/F.

Také frekvenční měniče s vektorovým řízením s otevřenou smyčkou mají rychlejší rychlostní odezvu - 10 Hz, což umožňuje použití v mechanismech s rázovým zatížením. Například u drtičů hornin se zatížení neustále mění a závisí na objemu a rozměrech zpracovávané horniny.

Na rozdíl od vzoru řízení U/F využívá vektorové řízení vektorový algoritmus k určení maximálního efektivního provozního napětí motoru.

Vektorové řízení VU řeší tento problém díky přítomnosti zpětné vazby na proud motoru. Proudovou zpětnou vazbu zpravidla generují vnitřní proudové transformátory samotného frekvenčního měniče. Na základě získané hodnoty proudu frekvenční měnič vypočítá točivý moment a tok elektrického stroje. Základní vektor proudu motoru je matematicky rozdělen na vektor magnetizačního proudu (I d) a vektor momentu (I q).

Pomocí dat a parametrů elektrického stroje vypočítá střídač vektory magnetizačního proudu (I d) a momentu (I q). Pro dosažení maximálního výkonu musí frekvenční měnič udržovat Id a Iq oddělené 90 0 . To je významné, protože sin 90 0 = 1 a hodnota 1 představuje maximální hodnotu točivého momentu.

Obecně platí, že vektorové řízení indukčního motoru poskytuje přísnější řízení. Regulace otáček je přibližně ±0,2 % maximální frekvence a rozsah regulace dosahuje 1:200, což umožňuje udržet točivý moment při práci v nízkých otáčkách.

Vektorové ovládání zpětné vazby

Vektorové řízení s uzavřenou smyčkou používá stejný řídicí algoritmus jako VU bez zpětné vazby. Hlavním rozdílem je přítomnost enkodéru, který umožňuje frekvenčnímu měniči vyvinout 200% rozběhový moment při 0 ot./min. Tato položka je prostě nezbytná pro vytvoření počátečního momentu při rozjezdu výtahů, jeřábů a jiných zdvihacích strojů, aby se zabránilo potopení nákladu.

Přítomnost snímače zpětné vazby rychlosti umožňuje zvýšit dobu odezvy systému o více než 50 Hz a také rozšířit rozsah regulace rychlosti až na 1:1500. Také přítomnost zpětné vazby vám umožňuje ovládat ne rychlost elektrického stroje, ale moment. V některých mechanismech má velký význam právě hodnota okamžiku. Například navíjecí stroj, blokovací mechanismy a další. V takových zařízeních je nutné regulovat moment stroje.

Dmitrij Levkin

hlavní myšlenka vektorové ovládání je řídit nejen velikost a frekvenci napájecího napětí, ale i fázi. Jinými slovy, velikost a úhel prostorového vektoru je řízen. Vektorové ovládání má lepší výkon než s. Vektorové řízení odstraňuje téměř všechny nevýhody skalárního řízení.

Výhody vektorového ovládání:

vysoká přesnost regulace rychlosti;
hladký start a plynulé otáčení motoru v celém frekvenčním rozsahu;
rychlá odezva na změny zatížení: při změně zatížení prakticky nedochází ke změně rychlosti;
zvýšený regulační rozsah a přesnost regulace;
tepelné a magnetizační ztráty jsou sníženy a .

Nevýhody vektorového řízení zahrnují:

nutnost nastavení parametrů;
velké kolísání otáček při konstantní zátěži;
velká výpočetní náročnost.

Obecné funkční schéma vektorového řízení

Obecné blokové schéma vysoce výkonného systému řízení rychlosti střídavého proudu je znázorněno na obrázku výše. Obvod je založen na vazbě magnetického toku a momentové regulační smyčky spolu s vyhodnocovací jednotkou, kterou lze realizovat různými způsoby. Současně je externí smyčka regulace otáček do značné míry sjednocena a generuje řídicí signály pro regulátory momentu M * a propojení magnetického toku Ψ * (přes jednotku regulace průtoku). Otáčky motoru mohou být měřeny senzorem (rychlost / poloha) nebo získány pomocí odhadu umožňujícího implementaci .

Klasifikace metod vektorového řízení

Od sedmdesátých let dvacátého století bylo navrženo mnoho metod k ovládání okamžiku. Ne všechny jsou široce používány v průmyslu. Proto tento článek pojednává pouze o nejoblíbenějších metodách správy. Diskutované metody řízení krouticího momentu jsou uvedeny pro řídicí systémy a se sinusovým zpětným EMF.

Stávající metody řízení točivého momentu lze klasifikovat různými způsoby.

lineární (PI, PID) regulátory;
nelineární (hysterezní) regulátory.

Rozsah regulace rychlosti	Chyba rychlosti 3, %	Doba nárůstu točivého momentu, ms	Startovací moment	Cena	Popis
1:10 1	5-10	Není dostupný	Krátký	Velmi nízký	Má pomalou odezvu na změny zatížení a malý rozsah regulace otáček, ale je snadno implementovatelný.
>1:200 2	0		Vysoký	vysoký	Umožňuje plynule a rychle ovládat hlavní parametry motoru – točivý moment a otáčky. Aby tato metoda fungovala, jsou nutné informace o poloze rotoru.
>1:200 2	0		Vysoký	vysoký	Hybridní metoda navržená tak, aby spojovala výhody a .
>1:200 2	0		Vysoký	vysoký	Má vysokou dynamiku a jednoduchý obvod, ale charakteristickým rysem jeho činnosti jsou vysoké zvlnění proudu a točivého momentu.
>1:200 2	0		Vysoký	vysoký	Má nižší spínací frekvenci měniče než jiné metody a je navržen tak, aby snižoval ztráty při pohonu velkých motorů.

Poznámka:

Žádná zpětná vazba.
Se zpětnou vazbou.
v ustáleném stavu

Z vektorového řízení jsou nejpoužívanější (FOC - field oriented control) a (DTC - direct moment control).

Lineární regulátory točivého momentu

Lineární regulátory točivého momentu spolupracují s napětím s pulzně šířkovou modulací (PWM). Regulátory určují požadovaný vektor napětí statoru zprůměrovaný za dobu vzorkování. Napěťový vektor je nakonec syntetizován metodou PWM, ve většině případů se používá prostorová vektorová modulace (SVM). Na rozdíl od nelineárních schémat řízení točivého momentu, kde jsou signály zpracovávány okamžitými hodnotami, v lineárních schématech řízení točivého momentu pracuje lineární regulátor (PI) s hodnotami zprůměrovanými za vzorkovací periodu. Proto může být vzorkovací frekvence snížena ze 40 kHz u nelineárních regulátorů momentu na 2-5 kHz v obvodech lineárních regulátorů momentu.

(POA, anglicky field oriented control, FOC) je metoda řízení, která řídí bezkomutátorový střídavý ( , ) jako stejnosměrný stroj s nezávislým buzením, což znamená, že pole a lze ovládat samostatně.

Řízení orientované na pole, navržené v roce 1970 Blaschkem a Hassem, je založeno na analogii s mechanicky komutovaným řízením. U tohoto motoru jsou budicí a kotvové vinutí odděleny, propojení toku je řízeno budicím proudem a krouticí moment je nezávisle řízen regulací proudu. Tok a momentový proud jsou tedy elektricky a magneticky odděleny.

Obecné funkční schéma bezsenzorového řízení orientovaného na pole 1

Naproti tomu bezkomutátorové střídavé motory ( , ) mají nejčastěji třífázové vinutí statoru a vektor statorového proudu I s slouží k řízení toku i momentu. Tedy budicí proud a proud kotvy sjednocený do vektoru statorového proudu a nelze je ovládat samostatně. Oddělení lze matematicky dosáhnout rozložením okamžité hodnoty vektoru statorového proudu I s na dvě složky: podélnou složku statorového proudu I sd (vytvoření pole) a příčnou složku proudu statoru I sq (vytvoření momentu) v rotujícím dq souřadnicovém systému orientovaném podél rotorového pole (R -FOC - rotor flux-oriented control) - obrázek výše. Řízení bezkomutátorového střídavého motoru se tak stává shodné s řízením a lze jej realizovat pomocí PWM měniče s lineárním PI regulátorem a prostorovou vektorovou napěťovou modulací.

Při řízení orientovaném na pole jsou krouticí moment a pole řízeny nepřímo řízením složek vektoru statorového proudu.

Okamžité statorové proudy jsou převedeny na dq rotační rám pomocí αβ/dq Park transformace, která také vyžaduje informaci o poloze rotoru. Pole je řízeno podélnou složkou proudu I sd , zatímco krouticí moment je řízen přes příčnou složku proudu I sq . Inverzní parková transformace (dq/αβ), matematický modul transformace souřadnic, vypočítává referenční složky vektoru napětí Vsα* a Vsβ*.

K určení polohy rotoru se používá buď snímač polohy rotoru instalovaný v elektromotoru, nebo bezsenzorový řídicí algoritmus implementovaný v řídicím systému, který vypočítává informace o poloze rotoru v reálném čase na základě dat dostupných v řídicím systému.

Blokové schéma přímého řízení momentu s prostorovou vektorovou modulací s řízením momentu a zpětnovazebním tokem pracujícím v pravoúhlém souřadnicovém systému orientovaném podél pole statoru je znázorněno na obrázku níže. PI výstupy regulátorů točivého momentu a toku jsou interpretovány jako referenční složky statorového napětí V ψ * a V M * v souřadnicovém systému dq orientovaném podél statorového pole (anglicky stator flux-oriented control, S-FOC). Tyto příkazy (konstantní napětí) jsou následně převedeny na pevný souřadnicový systém αβ, načež jsou řídicí hodnoty Vsα* a Vsβ* přiváděny do modulu prostorové vektorové modulace.

Funkční schéma přímého řízení momentu s prostorově vektorovou modulací napětí

Upozorňujeme, že tento obvod lze považovat za zjednodušenou regulaci statorového pole (S-FOC) bez proudové regulační smyčky nebo za klasický obvod (PUM-TV, anglicky spínací tabulka DTC, ST DTC), ve kterém je spínací tabulka nahrazen modulátorem (PVM) a regulátory hystereze momentu a toku jsou nahrazeny lineárními PI regulátory.

Ve schématu řízení točivého momentu s prostorovou vektorovou modulací (SVM-SVM) jsou krouticí moment a propojení toku přímo řízeny v uzavřené smyčce, takže je vyžadován přesný odhad toku motoru a točivého momentu. Oproti klasickému hystereznímu algoritmu pracuje s konstantní spínací frekvencí. To výrazně zlepšuje výkon řídicího systému: snižuje zvlnění točivého momentu a toku, umožňuje s jistotou nastartovat motor a pracovat při nízkých otáčkách. To však snižuje dynamický výkon disku.

Přímá samospráva

Patentovou přihlášku na metodu přímého samořízení podal Depenbrock v říjnu 1984. Blokové schéma přímé samosprávy je uvedeno níže.

Na základě příkazů toku statoru ψ s * a složek proudu ψ sA , ψ sB a ψ sC generují komparátory toku digitální signály d A , d B a d C, které odpovídají aktivním stavům napětí (V 1 až V 6) . Hysterezní regulátor momentu má výstupní signál d M , který určuje nulové stavy. Regulátor toku statoru tedy nastavuje časový interval stavů aktivního napětí, které pohybují vektor toku statoru po dané trajektorii, a regulátor točivého momentu určuje časový interval stavů nulového napětí, které udržují točivý moment elektromotoru v tolerančním poli definovaném hysterezí. .

Schéma přímé samosprávy

nesinusové formy spojení toku a proudu statoru;
vektor toku statoru se pohybuje po hexagonální dráze;
chybí rezerva pro napájecí napětí, možnosti měniče jsou plně využity;
frekvence spínání měniče je nižší než přímé řízení momentu se spínacím stolem;
vynikající dynamika v konstantním a slabém rozsahu pole.

Všimněte si, že činnost metody přímého řízení lze reprodukovat pomocí obvodu s šířkou hystereze průtoku 14 %.

Pro nastavení úhlové rychlosti otáčení rotoru a také točivého momentu na hřídeli moderních bezkomutátorových motorů se používá buď vektorové nebo skalární řízení elektrického pohonu.

Skalární řízení asynchronního motoru je nejrozšířenější, kdy např. pro řízení rychlosti otáčení ventilátoru nebo čerpadla stačí udržovat konstantní otáčky rotoru, k tomu slouží zpětnovazební signál z tlakového čidla nebo z snímač rychlosti stačí.

Princip skalárního řízení je jednoduchý: amplituda napájecího napětí je funkcí frekvence a poměr napětí k frekvenci je přibližně konstantní.

Konkrétní podoba této závislosti je spojena se zatížením hřídele, ale princip zůstává stejný: zvyšujeme frekvenci, přičemž napětí roste úměrně v závislosti na zatěžovací charakteristice tohoto motoru.

Díky tomu je magnetický tok v mezeře mezi rotorem a statorem udržován téměř konstantní. Pokud se poměr napětí k frekvenci odchyluje od jmenovité hodnoty pro daný motor, pak bude motor buď přebuzen nebo podbuzen, což povede ke ztrátám v motoru a k poruchám v pracovním procesu.

Skalární řízení tedy umožňuje dosáhnout téměř konstantního krouticího momentu na hřídeli v rozsahu pracovních frekvencí bez ohledu na frekvenci, při nízkých otáčkách však kroutící moment stále klesá (aby se tak nestalo, je nutné zvýšit napětí k frekvenčnímu poměru), takže pro každý motor existuje přesně definovaný provozní rozsah skalárního řízení.

Navíc je nemožné vybudovat systém skalárního řízení otáček bez nainstalovaného snímače otáček na hřídeli, protože zatížení značně ovlivňuje zpoždění skutečných otáček rotoru od frekvence napájecího napětí. Ale ani se snímačem otáček se skalárním řízením nebude možné řídit točivý moment s vysokou přesností (alespoň tak, aby to bylo ekonomicky proveditelné).

To je nevýhoda skalárního řízení, která vysvětluje relativní vzácnost jeho aplikačních oblastí, které jsou omezeny především na klasické asynchronní motory, kde závislost skluzu na zatížení není kritická.

Aby se zbavili těchto nedostatků, v roce 1971 inženýři společnosti Siemens navrhli použití vektorového řízení motoru, ve kterém se řízení provádí se zpětnou vazbou o velikosti magnetického toku. První vektorové řídicí systémy obsahovaly snímače průtoku v motorech.

Dnes je přístup k této metodě poněkud odlišný: matematický model motoru umožňuje vypočítat otáčky rotoru a točivý moment na hřídeli v závislosti na aktuálních fázových proudech (na frekvenci a velikosti proudů ve vinutí statoru).

Tento pokročilejší přístup umožňuje nezávisle a téměř bez setrvačnosti regulovat jak krouticí moment na hřídeli, tak rychlost otáčení hřídele při zatížení, protože v procesu regulace jsou zohledněny i fáze proudů.

Některé přesnější vektorové řídicí systémy jsou vybaveny obvody zpětné vazby rychlosti a řídicí systémy bez snímačů rychlosti jsou označovány jako bezsenzorové.

Takže v závislosti na oblasti použití konkrétního elektrického pohonu bude mít jeho vektorový řídicí systém své vlastní charakteristiky, svůj vlastní stupeň přesnosti nastavení.

Pokud požadavky na přesnost regulace rychlosti umožňují odchylku až 1,5% a rozsah nastavení nepřesahuje 1: 100, pak je bezsenzorový systém docela vhodný. Pokud je požadována přesnost regulace otáček s odchylkou ne větší než 0,2 % a rozsah je snížen na 1 až 10 000, je vyžadována zpětná vazba ze snímače rychlosti na hřídeli. Přítomnost snímače rychlosti v systémech vektorového řízení umožňuje přesně řídit točivý moment i při nízkých frekvencích do 1 Hz.

Takže vektorové řízení poskytuje následující výhody. Vysoká přesnost regulace otáček rotoru (a bez snímače otáček na něm) i za podmínek dynamicky se měnícího zatížení hřídele, přičemž nedochází k trhání. Hladké a rovnoměrné otáčení hřídele při nízkých rychlostech. Vysoká účinnost díky nízkým ztrátám za podmínek optimální charakteristiky napájecího napětí.

Vektorové ovládání není bez nevýhod. Složitost výpočetních operací. Nutnost nastavení počátečních dat (variabilní parametry pohonu).

Vektorové řízení je pro skupinový elektropohon zásadně nevhodné, sem se hodí lépe skalární.

Podobné články: