ایده اصلی کنترل برداریاین است که نه تنها مقدار و فرکانس ولتاژ تغذیه، بلکه فاز را نیز کنترل کنیم. به عبارت دیگر، بزرگی و زاویه بردار فضایی کنترل می شود. کنترل برداری عملکرد بالاتری نسبت به. کنترل برداری تقریباً تمام معایب کنترل اسکالر را از بین می برد.

مزایای کنترل برداری:
• دقت بالای کنترل سرعت؛
• شروع صاف و چرخش صاف موتور در کل محدوده فرکانس؛
• پاسخ سریع به تغییرات بار: هنگامی که بار تغییر می کند، عملا تغییری در سرعت ایجاد نمی شود.
• افزایش دامنه کنترل و دقت کنترل؛
• تلفات ناشی از گرمایش و مغناطیس شدن کاهش می یابد و .

معایب کنترل برداری عبارتند از:
• نیاز به تنظیم پارامترها؛
• نوسانات سرعت زیاد در بار ثابت؛
• پیچیدگی محاسباتی بالا

نمودار عملکردی کلی کنترل برداری

بلوک دیاگرام کلی یک سیستم کنترل سرعت AC با کارایی بالا در شکل بالا نشان داده شده است. اساس مدار اتصال شار مغناطیسی و مدارهای کنترل گشتاور به همراه یک واحد ارزیابی است که به طرق مختلف قابل پیاده سازی است. در این مورد، حلقه کنترل سرعت خارجی تا حد زیادی یکپارچه می شود و سیگنال های کنترلی را برای کنترل کننده های گشتاور M * و پیوند شار مغناطیسی Ψ * (از طریق واحد کنترل جریان) تولید می کند. سرعت موتور را می توان توسط یک سنسور (سرعت/موقعیت) اندازه گیری کرد یا از طریق تخمینگر به دست آمد که امکان پیاده سازی را فراهم می کند.

طبقه بندی روش های کنترل برداری

از دهه هفتاد قرن بیستم، روش های بسیاری برای کنترل گشتاور پیشنهاد شده است. همه آنها به طور گسترده در صنعت استفاده نمی شوند. بنابراین، این مقاله تنها محبوب ترین روش های مدیریت را مورد بحث قرار می دهد. روش های کنترل گشتاور مورد بحث برای سیستم های کنترل با EMF پشت سینوسی ارائه شده است.

روش های کنترل گشتاور موجود را می توان به روش های مختلفی طبقه بندی کرد.

اغلب روش های کنترل گشتاور به گروه های زیر تقسیم می شوند:
• تنظیم کننده های خطی (PI، PID)؛
• تنظیم کننده های غیرخطی (هیسترزیس).

روش کنترل			محدوده کنترل سرعت	خطای سرعت 3،٪	زمان افزایش گشتاور، ms	گشتاور راه اندازی	قیمت	شرح
			1:10 1	5-10	در دسترس نیست	کوتاه	خیلی کم	پاسخ آهسته به تغییرات بار و محدوده کنترل سرعت کمی دارد، اما پیاده سازی آن آسان است.
			>1:200 2	0		بالا	بالا	به شما امکان می دهد پارامترهای اصلی موتور - گشتاور و سرعت را به آرامی و سریع کنترل کنید. برای کارکرد این روش، اطلاعاتی در مورد موقعیت روتور مورد نیاز است.
			>1:200 2	0		بالا	بالا	یک روش ترکیبی که برای ترکیب مزایای...
			>1:200 2	0		بالا	بالا	دارای دینامیک بالا و مدار ساده است، اما ویژگی بارز عملکرد آن امواج جریان و گشتاور بالا است.
			>1:200 2	0		بالا	بالا	فرکانس سوئیچینگ اینورتر کمتر از روش های دیگر است و برای کاهش تلفات هنگام کنترل موتورهای الکتریکی پرقدرت طراحی شده است.

توجه داشته باشید:

1. بدون بازخورد.
2. با بازخورد.
3. در حالت ثابت

در بین کنترل های برداری، پرکاربردترین آنها (FOC - کنترل میدان گرا) و (DTC - کنترل گشتاور مستقیم) هستند.

تنظیم کننده های گشتاور خطی

کنترل کننده های گشتاور خطی در ارتباط با مدولاسیون عرض پالس (PWM) ولتاژ کار می کنند. رگولاتورها میانگین بردار ولتاژ استاتور مورد نیاز را در طول دوره نمونه برداری تعیین می کنند. بردار ولتاژ در نهایت با روش PWM سنتز می شود؛ در اکثر موارد از مدولاسیون برداری فضا (SVM) استفاده می شود. برخلاف مدارهای کنترل گشتاور غیرخطی، که سیگنال‌ها با استفاده از مقادیر آنی پردازش می‌شوند، در مدارهای کنترل گشتاور خطی، یک کنترل‌کننده خطی (PI) با مقادیر میانگین در طول دوره نمونه‌برداری کار می‌کند. بنابراین می توان فرکانس نمونه برداری را از 40 کیلوهرتز در مدارهای کنترل کننده گشتاور غیرخطی به 5-2 کیلوهرتز در مدارهای کنترل کننده گشتاور خطی کاهش داد.

کنترل میدان گرا

کنترل میدان گرا(POA، کنترل میدان گرا انگلیسی، FOC) یک روش کنترلی است که یک جریان متناوب بدون جاروبک (،) را مانند یک ماشین جریان مستقیم با تحریک مستقل کنترل می کند، به این معنی که میدان و میدان را می توان به طور جداگانه کنترل کرد.

کنترل میدان گرا، که در سال 1970 توسط Blaschke و Hasse پیشنهاد شد، بر اساس یک قیاس با کنترل مکانیکی سوئیچ شده است. در این موتور، سیم‌پیچ‌های میدان و آرمیچر از هم جدا می‌شوند، اتصال شار توسط جریان میدان کنترل می‌شود و گشتاور به طور مستقل توسط تنظیم جریان کنترل می‌شود. بنابراین، اتصال شار و جریان های گشتاور به صورت الکتریکی و مغناطیسی از هم جدا می شوند.

نمودار عملکردی کلی کنترل میدان گرا بدون سنسور 1

از سوی دیگر، موتورهای AC بدون جاروبک ( , ) اغلب دارای سیم پیچی سه فاز استاتور هستند و بردار جریان استاتور I s برای کنترل شار و گشتاور استفاده می شود. بنابراین، جریان میدان و جریان آرمیچر ادغام شدبه بردار جریان استاتور و نمی توان آن را به طور جداگانه کنترل کرد. قطع را می توان به صورت ریاضی به دست آورد - با تجزیه مقدار لحظه ای بردار جریان استاتور I s به دو جزء: جزء طولی جریان استاتور I sd (ایجاد میدان) و مولفه عرضی جریان استاتور I sq (ایجاد گشتاور). در یک سیستم مختصات چرخشی dq جهت‌گیری در امتداد میدان روتور (R -FOC – کنترل شار روتور) - تصویر بالا. بنابراین، کنترل یک موتور AC بدون جاروبک با کنترل یکسان می شود و می توان با استفاده از یک اینورتر PWM با تنظیم کننده خطی PI و مدولاسیون ولتاژ بردار فضایی به دست آورد.

در کنترل میدان گرا، گشتاور و میدان به طور غیر مستقیم با کنترل اجزای بردار جریان استاتور کنترل می شوند.

مقادیر لحظه‌ای جریان‌های استاتور با استفاده از تبدیل پارک αβ/dq به سیستم مختصات دوار dq تبدیل می‌شوند که به اطلاعاتی در مورد موقعیت روتور نیز نیاز دارد. میدان از طریق جزء جریان طولی I sd کنترل می شود، در حالی که گشتاور از طریق مولفه جریان عرضی I sq کنترل می شود. تبدیل پارک معکوس (dq/αβ)، یک ماژول تبدیل مختصات ریاضی، به فرد اجازه می‌دهد تا اجزای مرجع بردار ولتاژ Vsα* و Vsβ* را محاسبه کند.

برای تعیین موقعیت روتور، یا از یک سنسور موقعیت روتور نصب شده در موتور الکتریکی یا یک الگوریتم کنترل بدون سنسور پیاده سازی شده در سیستم کنترل استفاده می شود که اطلاعات مربوط به موقعیت روتور را در زمان واقعی بر اساس داده های موجود در سیستم کنترل محاسبه می کند.

یک بلوک دیاگرام کنترل مستقیم گشتاور با مدولاسیون بردار فضا با تنظیم پیوند گشتاور و شار با بازخوردی که در یک سیستم مختصات مستطیلی جهت گیری در امتداد میدان استاتور در شکل زیر نشان داده شده است. خروجی‌های کنترل‌کننده‌های پیوند شار و گشتاور PI به عنوان اجزای مرجع ولتاژ استاتور V ψ * و V M * در سیستم مختصات dq در امتداد میدان استاتور (کنترل انگلیسی مبتنی بر شار استاتور، S-FOC) تفسیر می‌شوند. سپس این دستورات (ولتاژهای ثابت) به یک سیستم مختصات ثابت αβ تبدیل می شوند و پس از آن مقادیر کنترلی V sα * و V sβ * به ماژول مدولاسیون بردار فضا ارسال می شود.

نمودار عملکردی کنترل مستقیم گشتاور با مدولاسیون ولتاژ بردار فضا

لطفاً توجه داشته باشید که این مدار را می توان به عنوان یک کنترل میدان گرا استاتور ساده شده (S-FOC) بدون حلقه کنترل جریان یا به عنوان یک مدار کلاسیک (PUM-TV، جدول سوئیچ انگلیسی DTC، ST DTC) در نظر گرفت که در آن جدول سوئیچینگ قرار دارد. با یک مدولاتور (SVM) جایگزین می شود، و کنترل کننده گشتاور و شار پسماند با کنترل کننده های خطی PI جایگزین می شود.

در کنترل مستقیم گشتاور با مدولاسیون برداری فضا (DTC-FCM)، اتصال گشتاور و شار مستقیماً در یک حلقه بسته کنترل می‌شود، بنابراین تخمین دقیق شار و گشتاور موتور ضروری است. برخلاف الگوریتم هیسترزیس کلاسیک، در فرکانس سوئیچینگ ثابت عمل می کند. این به طور قابل توجهی عملکرد سیستم کنترل را بهبود می بخشد: گشتاور و ضربان جریان را کاهش می دهد و به شما امکان می دهد با اطمینان موتور را روشن کنید و در سرعت های پایین کار کنید. اما در عین حال، ویژگی های دینامیکی درایو کاهش می یابد.

کنترل کننده های گشتاور غیر خطی

گروه ارائه‌شده از کنترل‌کننده‌های گشتاور، از ایده تبدیل مختصات و کنترل بر اساس قیاس با یک موتور DC برس خورده، که اساس آن است، فاصله می‌گیرد. تنظیم کننده های غیر خطی جایگزینی کنترل جداگانه با کنترل پیوسته (هیسترزیس) را پیشنهاد می کنند که با ایدئولوژی عملکرد (روشن-خاموش) دستگاه های نیمه هادی اینورتر مطابقت دارد.

در مقایسه با کنترل میدان گرا، طرح های کنترل گشتاور مستقیم دارای ویژگی های زیر هستند:

مزایای:
• طرح کنترل ساده؛
• مدارهای جریان یا کنترل جریان مستقیم وجود ندارد.
• بدون نیاز به تبدیل مختصات
• هیچ مدولاسیون ولتاژ جداگانه ای وجود ندارد.
• بدون نیاز به سنسور موقعیت؛
• دینامیک خوب

ایرادات:
• ارزیابی دقیق بردار اتصال شار مغناطیسی استاتور و گشتاور مورد نیاز است.
• گشتاور قوی و ضربان های جریان به دلیل تنظیم کننده غیرخطی (هیسترزیس) و فرکانس سوئیچینگ متغیر سوئیچ ها.
• نویز با طیف گسترده به دلیل فرکانس سوئیچینگ متغیر.

کنترل مستقیم گشتاور

روش کنترل مستقیم گشتاور با جدول گنجاندن اولین بار توسط تاکاهاشی و نوگوچی در مقاله IEEJ ارائه شده در سپتامبر 1984 و بعداً در مقاله IEEE منتشر شده در سپتامبر 1986 توصیف شد. طراحی روش کلاسیک کنترل مستقیم گشتاور (DTC) بسیار ساده تر از روش کنترل میدانی () است، زیرا نیازی به تغییر سیستم مختصات و اندازه گیری موقعیت روتور ندارد. نمودار روش کنترل مستقیم گشتاور (شکل زیر) شامل برآوردگر شار گشتاور و استاتور، مقایسه‌کننده‌های گشتاور و شار پسماند، میز سوئیچینگ و اینورتر است.

اصل روش کنترل مستقیم گشتاورشامل انتخاب یک بردار ولتاژ برای کنترل همزمان گشتاور و اتصال شار استاتور است. جریان اندازه گیری شده استاتور و ولتاژ اینورتر برای تخمین اتصال شار و گشتاور استفاده می شود. مقادیر تخمینی پیوند شار استاتور و گشتاور به ترتیب با سیگنال های کنترلی اتصال شار استاتور ψ s * و گشتاور موتور M * از طریق یک مقایسه کننده پسماند مقایسه می شوند. بردار ولتاژ کنترل موتور مورد نیاز از جدول گنجاندن بر اساس خطاهای پیوند شار دیجیتالی d Ψ و گشتاور d M تولید شده توسط مقایسه کننده های هیسترزیس و همچنین بر اساس بخش موقعیت بردار اتصال شار استاتور بر اساس موقعیت زاویه ای آن انتخاب می شود. . بنابراین، پالس های S A، S B و SC برای کنترل کلیدهای قدرت اینورتر با انتخاب یک بردار از جدول تولید می شوند.

مدار کنترل مستقیم گشتاور کلاسیک با میز سوئیچینگ با سنسور سرعت

انواع مختلفی از مدار کلاسیک وجود دارد که برای بهبود راه اندازی، شرایط اضافه بار، عملکرد سرعت بسیار پایین، کاهش امواج گشتاور، کار در فرکانس های سوئیچینگ متغیر و کاهش سطح نویز طراحی شده است.

نقطه ضعف روش کلاسیک کنترل مستقیم گشتاور وجود موج های جریان بالا حتی در حالت ثابت است. مشکل با افزایش فرکانس کاری اینورتر بالای 40 کیلوهرتز برطرف می شود که هزینه کلی سیستم کنترل را افزایش می دهد.

خودگردانی مستقیم

یک درخواست ثبت اختراع برای روش خودگردانی مستقیم توسط Depenbrock در اکتبر 1984 ثبت شد. بلوک دیاگرام خودگردانی مستقیم در زیر نشان داده شده است.

بر اساس دستورات اتصال شار استاتور ψ s * و اجزای فاز جاری ψ sA , ψ sB و ψ sC , مقایسه کننده های پیوند شار سیگنال های دیجیتال d A , d B و d C تولید می کنند که با حالت های ولتاژ فعال مطابقت دارد (V 1 - V 6). کنترل کننده گشتاور هیسترتیک دارای سیگنال خروجی d ​​M است که حالت های صفر را تعیین می کند. بنابراین، تنظیم کننده اتصال شار استاتور فاصله زمانی حالت های ولتاژ فعال را تنظیم می کند که بردار اتصال شار استاتور را در یک مسیر مشخص حرکت می دهد، و تنظیم کننده گشتاور فاصله زمانی حالت های ولتاژ صفر را تعیین می کند که گشتاور موتور الکتریکی را در یک تلرانس حفظ می کند. میدان تعیین شده توسط هیسترزیس.

طرح خودگردانی مستقیم

ویژگی های بارز طرح خودگردانی مستقیم عبارتند از:
• اشکال غیر سینوسی پیوند شار و جریان استاتور.
• بردار پیوند شار استاتور در امتداد یک مسیر شش ضلعی حرکت می کند.
• هیچ ذخیره ولتاژ منبع تغذیه وجود ندارد، از قابلیت های اینورتر به طور کامل استفاده می شود.
• فرکانس سوئیچینگ اینورتر کمتر از کنترل گشتاور مستقیم با میز سوئیچینگ است.
• دینامیک عالی در محدوده میدان ثابت و ضعیف.

توجه داشته باشید که عملکرد روش خودکنترلی مستقیم را می توان با استفاده از مداری با عرض هیسترزیس شار 14 درصد بازتولید کرد.

- کنترل برداری چیست؟
- جریان را در 90 درجه نگه دارید.

اصطلاح "کنترل برداری" موتورهای الکتریکی برای هر کسی که حداقل تا حدودی به این سوال که چگونه یک موتور AC را با استفاده از یک میکروکنترلر کنترل کند علاقه مند است آشنا است. با این حال، معمولاً در هر کتابی در مورد درایوهای الکتریکی، فصل مربوط به کنترل برداری تقریباً به پایان می رسد، که شامل یک دسته فرمول های مودار با ارجاع به تمام فصل های دیگر کتاب است. چرا اصلا نمی خواهید این موضوع را بفهمید؟ و حتی ساده ترین توضیح ها هنوز از طریق معادلات تعادل دیفرانسیل، نمودارهای برداری و دسته ای از ریاضیات دیگر می گذرد. به همین دلیل، به نظر می رسد تلاش هایی مانند این به نوعی موتور را بدون استفاده از سخت افزار روشن می کند. اما در واقع، اگر اصل عملکرد آن را "روی انگشتان خود" درک کنید، کنترل برداری بسیار ساده است. و سپس در صورت لزوم پرداختن به فرمول ها سرگرم کننده تر خواهد بود.

اصل عملکرد یک ماشین سنکرون

بیایید اصل عملکرد ساده ترین موتور AC - یک ماشین سنکرون آهنربای دائمی را در نظر بگیریم. یک مثال مناسب یک قطب نما است: سوزن مغناطیسی آن روتور یک ماشین سنکرون است و میدان مغناطیسی زمین میدان مغناطیسی استاتور است. بدون بار خارجی (و هیچ باری در قطب نما وجود ندارد، به جز اصطکاک و سیالی که نوسانات سوزن را می‌نکند)، روتور همیشه در امتداد میدان استاتور قرار دارد. اگر قطب نما را در دست بگیریم و زمین را زیر آن بچرخانیم، سوزن نیز همراه با آن می چرخد ​​و کار مخلوط کردن سیال داخل قطب نما را انجام می دهد. اما یک راه کمی ساده تر وجود دارد - می توانید یک آهنربای خارجی، به عنوان مثال، به شکل میله ای با قطب هایی در انتهای آن، که میدان آن بسیار قوی تر از میدان مغناطیسی زمین است، بگیرید، آن را از بالا به قطب نما بیاورید. و آهنربا را بچرخانید. فلش به دنبال میدان مغناطیسی دوار حرکت می کند. در یک موتور سنکرون واقعی، میدان استاتور توسط آهنرباهای الکتریکی ایجاد می شود - سیم پیچ هایی با جریان. مدارهای سیم پیچ در آنجا پیچیده هستند، اما اصل یکسان است - آنها یک میدان مغناطیسی با استاتور ایجاد می کنند، که در جهت مورد نظر هدایت می شوند و دامنه مورد نیاز را دارند. بیایید به شکل زیر نگاه کنیم (شکل 1). در مرکز یک آهنربا وجود دارد - روتور یک موتور سنکرون ("فلش" قطب نما) و در طرفین دو آهنربای الکتریکی - سیم پیچ وجود دارد که هر یک میدان مغناطیسی خود را ایجاد می کند، یکی در محور عمودی، دیگری در محور عمودی. در افقی

شکل 1. اصل عملکرد یک ماشین الکتریکی سنکرون

شار مغناطیسی سیم پیچ با جریان موجود در آن (به تقریب اول) متناسب است. ما به شار مغناطیسی از استاتور در مکانی که روتور در آن قرار دارد، علاقه مند خواهیم بود. در مرکز تصویر (از جلوه های لبه، پراکندگی و هر چیز دیگری غفلت می کنیم). شارهای مغناطیسی دو سیم پیچ عمود بر هم به صورت برداری اضافه می شوند و یک شار مشترک را برای برهمکنش با روتور تشکیل می دهند. اما از آنجایی که شار متناسب با جریان در سیم پیچ است، رسم بردارهای جریان به طور مستقیم و تراز کردن آنها با شار راحت است. شکل چند جریان را نشان می دهد من αو من βایجاد شار مغناطیسی در امتداد محور α و β به ترتیب. بردار جریان کل استاتور استیک شار مغناطیسی استاتور با هدایت مشترک ایجاد می کند. آن ها در حقیقت استنماد آهنربای خارجی است که ما به قطب نما آورده ایم، اما توسط آهنرباهای الکتریکی ایجاد شده است - سیم پیچ هایی با جریان.
در شکل، روتور در یک موقعیت دلخواه قرار دارد، اما از این موقعیت، روتور مطابق با شار مغناطیسی استاتور، به چرخش تمایل پیدا می کند. توسط بردار است(موقعیت روتور در این حالت با خط نقطه نشان داده می شود). بر این اساس، اگر جریان را فقط به فاز اعمال کنید α ، بیایید بگوییم من α= 1A، روتور به صورت افقی خواهد ایستاد، و اگر در β، به صورت عمودی، و اگر اعمال کنید من β= -1 و سپس 180 درجه می چرخد. اگر جریان را تامین کنید من αطبق قانون سینوس و من βطبق قانون کسینوس زمان، میدان مغناطیسی دوار ایجاد می شود. روتور آن را دنبال می کند و می چرخد ​​(مانند یک سوزن قطب نما که چرخش آهنربا را با دست دنبال می کند). این اصل اساسی عملکرد یک ماشین سنکرون است، در این مورد یک ماشین دو فاز با یک جفت پلاس.
بیایید نموداری از گشتاور موتور بسته به موقعیت زاویه ای محور روتور و بردار جریان رسم کنیم. استاستاتور - مشخصه زاویه ای یک موتور سنکرون. این وابستگی سینوسی است (شکل 2).

شکل 2. مشخصه زاویه ای یک ماشین سنکرون (در اینجا مقداری سردرگمی تاریخی با علائم لحظه و زاویه وجود دارد، به همین دلیل است که این مشخصه اغلب به صورت وارونه نسبت به محور افقی ترسیم می شود).

برای به دست آوردن این نمودار در عمل، می توانید یک سنسور گشتاور را روی محور روتور قرار دهید، سپس هر بردار جریان را روشن کنید، به عنوان مثال، به سادگی جریان را به فاز α اعمال کنید. روتور به موقعیت مناسب می چرخد ​​که باید به عنوان صفر در نظر گرفته شود. سپس، از طریق سنسور گشتاور، باید روتور را "با دست" بچرخانید، زاویه روی نمودار را در هر نقطه ثابت کنید. θ ، که چرخانده شد و لحظه ای که سنسور نشان داد. آن ها شما باید "فنر مغناطیسی" موتور را از طریق سنسور گشتاور بکشید. بزرگترین لحظه در زاویه 90 درجه از بردار فعلی (از ابتدا) خواهد بود. دامنه حداکثر گشتاور حاصل Mmax متناسب با دامنه بردار جریان اعمال شده است. اگر 1A اعمال شود، مثلاً M max = 1 N∙m (نیوتن*متر، واحد اندازه گیری گشتاور) بدست می آوریم، اگر 2A اعمال کنیم، M max = 2 N∙m بدست می آوریم.

از این مشخصه نتیجه می شود که موتور بیشترین گشتاور را زمانی ایجاد می کند که روتور در 90 درجه نسبت به بردار جریان باشد. از آنجایی که هنگام ایجاد یک سیستم کنترل روی یک میکروکنترلر، می خواهیم بیشترین گشتاور را از موتور با حداقل تلفات به دست آوریم و تلفات، اول از همه، جریان در سیم پیچ ها است، منطقی تر است که همیشه جریان را تنظیم کنیم. بردار در 90 درجه نسبت به میدان مغناطیسی روتور، یعنی. عمود بر آهنربا در شکل 1. ما باید همه چیز را برعکس تغییر دهیم - روتور به سمت بردار جریانی که ما تنظیم می کنیم حرکت نمی کند، اما ما همیشه بردار جریان را 90 درجه روی روتور قرار می دهیم، مهم نیست که چگونه در آنجا بچرخد. ، یعنی بردار جریان را به روتور "میخ" کنید. گشتاور موتور را با دامنه جریان تنظیم می کنیم. هرچه دامنه بیشتر باشد، گشتاور بیشتر است. اما فرکانس چرخش، فرکانس جریان در سیم‌پیچ‌ها دیگر کار "ما" نیست - چه اتفاقی می‌افتد، روتور چگونه می‌چرخد، بنابراین می‌شود - ما گشتاور روی شفت را کنترل می‌کنیم. به اندازه کافی عجیب، این دقیقا همان چیزی است که کنترل برداری نامیده می شود - زمانی که ما بردار جریان استاتور را طوری کنترل می کنیم که در 90 درجه نسبت به میدان مغناطیسی روتور باشد. اگرچه برخی کتاب‌های درسی تعاریف گسترده‌تری ارائه می‌دهند، تا جایی که کنترل برداری به طور کلی به هر قانون کنترلی که در آن «بردارها» درگیر است اشاره دارد، اما معمولاً کنترل برداری دقیقاً به روش کنترل فوق اشاره دارد.

ساخت یک ساختار کنترل برداری

اما کنترل برداری در عمل چگونه حاصل می شود؟ بدیهی است که ابتدا باید موقعیت روتور را بدانید تا چیزی برای اندازه گیری 90 درجه نسبت به آن داشته باشید. ساده ترین راه برای انجام این کار نصب سنسور موقعیت بر روی شفت روتور است. سپس باید نحوه ایجاد یک بردار جریان را با حفظ جریان های مورد نظر در فازها بیابید α و β . ما به موتور ولتاژ میدیم نه جریان... اما چون میخوایم چیزی رو ساپورت کنیم باید اندازه بگیریم. بنابراین، برای کنترل برداری به سنسورهای جریان فاز نیاز دارید. در مرحله بعد، باید یک ساختار کنترل برداری را در قالب یک برنامه روی یک میکروکنترلر جمع آوری کنید که بقیه کارها را انجام می دهد. برای اینکه این توضیح مانند دستورالعمل "نحوه کشیدن جغد" به نظر نرسد، شیرجه را ادامه می دهیم.
شما می توانید جریان را با میکروکنترلر با استفاده از یک نرم افزار تنظیم کننده جریان PI (تناسبی-انتگرال) و PWM حفظ کنید. به عنوان مثال، ساختاری با تنظیم کننده جریان برای یک فاز α در زیر نشان داده شده است (شکل 3).

شکل 3. ساختار کنترل جریان بسته برای یک فاز

اینجا تنظیمات فعلی است من α_بازگشت- یک ثابت مشخص، جریانی که می خواهیم برای این فاز حفظ کنیم، به عنوان مثال 1A. کار به جمع کننده تنظیم کننده فعلی ارسال می شود که ساختار افشا شده آن در بالا نشان داده شده است. اگر خواننده نمی داند کنترل کننده PI چگونه کار می کند، افسوس. من فقط می توانم برخی از این را توصیه کنم. تنظیم کننده جریان خروجی ولتاژ فاز را تنظیم می کند U α. ولتاژ به بلوک PWM عرضه می‌شود، که تنظیمات چرخه کار (تنظیمات مقایسه) را برای تایمرهای PWM میکروکنترلر محاسبه می‌کند و PWM را روی یک اینورتر پل از چهار سوئیچ تولید می‌کند. U α. الگوریتم می تواند متفاوت باشد، به عنوان مثال، برای ولتاژ مثبت، PWM قفسه سمت راست متناسب با تنظیم ولتاژ است، سوئیچ پایینی در سمت چپ بسته است، برای PWM منفی، سمت چپ، سوئیچ پایینی در سمت راست بسته است. فراموش نکنید که زمان مرده را اضافه کنید! در نتیجه، چنین ساختاری نرم‌افزار را به هزینه منبع ولتاژ تبدیل به «منبع جریان» می‌کند: ما مقدار مورد نیاز خود را تعیین می‌کنیم. من α_بازگشت، و این ساختار آن را با سرعت مشخصی اجرا می کند.

علاوه بر این، شاید برخی از خوانندگان قبلاً فکر کرده اند که ساختار کنترل بردار فقط یک موضوع کوچک با شما فاصله دارد - شما باید دو تنظیم کننده جریان را نصب کنید، یک تنظیم کننده برای هر فاز، و بسته به زاویه سنسور موقعیت روتور، وظیفه ای بر روی آنها ایجاد کنید ( RPS)، یعنی e. چیزی شبیه به این ساختار بسازید (شکل 4):

شکل 4. ساختار کنترل بردار نادرست (ساده لوح).

شما نمی توانید این کار را انجام دهید. هنگامی که روتور می چرخد، متغیرها من α_بازگشتو من β_بازگشتسینوسی خواهد بود، یعنی. وظیفه تنظیم کننده های فعلی همیشه تغییر خواهد کرد. سرعت کنترلر بی نهایت نیست، بنابراین وقتی کار تغییر می کند، بلافاصله آن را پردازش نمی کند. اگر کار دائماً تغییر کند، تنظیم کننده همیشه به آن می رسد و هرگز به آن نمی رسد. و با افزایش سرعت چرخش موتور، تأخیر جریان واقعی از جریان داده شده بزرگتر و بزرگتر می شود تا زمانی که زاویه 90 درجه مورد نظر بین جریان و آهنربای روتور به هیچ وجه شبیه آن نباشد و بردار کنترل دیگر وجود ندارد. به همین دلیل آنها این کار را متفاوت انجام می دهند. ساختار صحیح به شرح زیر است (شکل 5):

شکل 5. ساختار کنترل حسگر برداری برای ماشین سنکرون دو فاز

دو بلوک در اینجا اضافه شده است - BKP_1 و BKP_2: بلوک های تبدیل مختصات. آنها یک کار بسیار ساده انجام می دهند: آنها بردار ورودی را با یک زاویه مشخص می چرخانند. علاوه بر این، BOD_1 به + تبدیل می‌شود ϴ و BKP_2 در - ϴ . این همه تفاوت بین آنهاست. در ادبیات خارجی به آنها تبدیل پارک می گویند. BKP_2 تبدیل مختصات را برای جریان ها انجام می دهد: از محورهای ثابت α و β ، به استاتور موتور، به محورهای دوار گره خورده است دو q، به روتور موتور گره خورده است (با استفاده از زاویه موقعیت روتور ϴ ). و BKP_1 تغییر شکل معکوس را از تنظیم ولتاژ در امتداد محورها انجام می دهد دو qانتقال به محورها را انجام می دهد α و β . من هیچ فرمولی برای تبدیل مختصات ارائه نمی دهم، اما آنها ساده هستند و پیدا کردن آنها بسیار آسان است. در واقع، هیچ چیز پیچیده تر از هندسه مدرسه وجود ندارد (شکل 6):

شکل 6. تغییرات مختصات از محورهای ثابت α و β، متصل به استاتور موتور، به محورهای دوار. دو q، به روتور گره خورده است

یعنی به جای "چرخش" تنظیمات تنظیم کننده ها (همانطور که در ساختار قبلی بود)، ورودی ها و خروجی های آنها می چرخند و خود تنظیم کننده ها در حالت استاتیک کار می کنند: جریان ها د, qو خروجی کنترلرها در حالت پایدار ثابت است. محورها دو qهمراه با روتور بچرخید (زیرا توسط سیگنالی از سنسور موقعیت روتور چرخانده می شوند)، در حالی که تنظیم کننده محور qدقیقاً جریانی را تنظیم می کند که در ابتدای مقاله آن را "عمود بر میدان روتور" نامیدم، یعنی یک جریان مولد گشتاور است و جریان دبا "مگنت روتور" تراز شده است، بنابراین ما به آن نیازی نداریم و آن را برابر با صفر قرار می دهیم. این ساختار عاری از ضرر ساختار اول است - تنظیم کننده های فعلی حتی نمی دانند که چیزی در جایی می چرخد. آنها در حالت استاتیک کار می کنند: آنها هر یک از جریان های خود را تنظیم کرده اند، به ولتاژ مشخص شده رسیده اند - و همین است، مانند روتور، از آنها فرار نکنید، آنها حتی در مورد آن نمی دانند: تمام کار چرخش توسط بلوک های تبدیل مختصات انجام می شود.

برای توضیح "روی انگشتان" می توانید قیاسی ارائه دهید.

برای ترافیک خطی، بگذارید مثلاً یک اتوبوس شهری باشد. دائماً شتاب می گیرد، سپس کند می شود، سپس به عقب می رود و به طور کلی همانطور که می خواهد رفتار می کند: روتور موتور است. همچنین، شما در یک خودروی نزدیک هستید و به صورت موازی رانندگی می کنید: وظیفه شما این است که دقیقاً در وسط اتوبوس باشید: "90 درجه را نگه دارید"، شما تنظیم کننده فعلی هستید. اگر اتوبوس دائماً سرعت خود را تغییر می دهد، باید سرعت را نیز بر اساس آن تغییر دهید و همیشه آن را کنترل کنید. اما اکنون ما "کنترل برداری" را برای شما انجام خواهیم داد. شما از داخل اتوبوس بالا رفتید، وسط ایستادید و به نرده دستی چسبیدید - مانند اتوبوس، فرار نکنید، به راحتی می توانید با وظیفه "در وسط اتوبوس بودن" کنار بیایید. به طور مشابه، تنظیم‌کننده‌های جریان، که در محورهای چرخشی d, q روتور «غلت می‌کنند»، زندگی آسانی دارند.

ساختار فوق در واقع کار می کند و در درایوهای الکتریکی مدرن استفاده می شود. فقط فاقد مجموعه ای از "بهبودهای" کوچک است که بدون آنها دیگر انجام آن مرسوم نیست، مانند جبران اتصالات متقابل، محدودیت های مختلف، تضعیف میدان و غیره. اما این اصل اساسی است.

و اگر نیاز به تنظیم نه گشتاور درایو، بلکه سرعت (سرعت زاویه ای صحیح، فرکانس چرخش) دارید؟ خوب پس ما یک کنترلر PI دیگر را نصب می کنیم - یک کنترل کننده سرعت (RS). ما یک فرمان سرعت را به ورودی اعمال می کنیم و در خروجی یک فرمان گشتاور داریم. از آنجایی که جریان محور qمتناسب با گشتاور است، سپس برای ساده کردن آن، خروجی کنترل کننده سرعت می تواند مستقیماً به ورودی کنترل کننده جریان محور تغذیه شود. q، مانند این (شکل 7):

شکل 7. کنترل کننده سرعت برای کنترل برداری
در اینجا SI، تنظیم کننده شدت، خروجی خود را به آرامی تغییر می دهد به طوری که موتور با سرعت مورد نظر شتاب می گیرد و تا زمانی که سرعت تنظیم نشود با جریان کامل حرکت نمی کند. سرعت فعلی ω از دسته سنسور موقعیت روتور گرفته شده است ω این مشتق از موقعیت زاویه ای است ϴ . خوب، یا می توانید به سادگی زمان بین پالس های سنسور را اندازه گیری کنید ...

چگونه برای موتور سه فاز همین کار را انجام دهیم؟ خوب، در واقع، چیز خاصی نیست، ما یک بلوک دیگر اضافه می کنیم و ماژول PWM را تغییر می دهیم (شکل 8).

شکل 8. ساختار کنترل حسگر برداری برای ماشین سنکرون سه فاز

جریان های سه فاز، درست مانند جریان های دو فاز، یک هدف را دنبال می کنند - ایجاد بردار جریان استاتور است، در جهت مورد نظر هدایت شده و دارای دامنه مورد نظر است. بنابراین، جریان های سه فاز را می توان به سادگی به دو فاز تبدیل کرد و سپس همان سیستم کنترلی را که قبلاً برای یک ماشین دو فاز مونتاژ شده است، رها کرد. در ادبیات انگلیسی زبان، چنین "محاسبه مجدد" را تبدیل کلارک می نامند (ادیت کلارک او است)، در کشور ما به آن تبدیل فاز می گویند. در ساختار شکل 8، بر این اساس، این کار توسط بلوک تبدیل فاز انجام می شود. آنها دوباره با استفاده از درس هندسه مدرسه انجام می شوند (شکل 9):

شکل 9. تبدیل فاز - از سه فاز به دو. برای راحتی، فرض می کنیم که دامنه بردار I s برابر با دامنه جریان در فاز است.

فکر می کنم نیازی به نظر نیست. چند کلمه در مورد جریان فاز C. نیازی به نصب سنسور جریان در آنجا نیست، زیرا سه فاز موتور در یک ستاره به هم متصل هستند و طبق قانون کیرشهوف، هر چیزی که از دو فاز عبور می کند باید از آن خارج شود. سوم (مگر اینکه، البته، سوراخی در عایق موتور شما وجود داشته باشد، و نیمی از آن در جایی روی محفظه نشتی نداشته باشد)، بنابراین جریان فاز C به عنوان مجموع اسکالر جریان های فاز A و B با یک محاسبه می شود. علامت منفی اگرچه گاهی اوقات یک سنسور سوم برای کاهش خطای اندازه گیری نصب می شود.

بازسازی کامل ماژول PWM نیز مورد نیاز است. معمولاً برای موتورهای سه فاز از اینورتر شش سوئیچ سه فاز استفاده می شود. در شکل، فرمان ولتاژ همچنان در محورهای دو فاز می رسد. در داخل ماژول PWM، با استفاده از تبدیل فاز معکوس، می توان آن را به ولتاژهای فازهای A، B، C تبدیل کرد که باید در این لحظه به موتور اعمال شود. اما بعد چه باید کرد... گزینه ها ممکن است. یک روش ساده این است که یک چرخه کاری برای هر قفسه اینورتر متناسب با ولتاژ مورد نظر به اضافه 0.5 تنظیم کنید. این PWM موج سینوسی نامیده می شود. این دقیقاً همان روشی است که نویسنده در habrahabr.ru/post/128407 از آن استفاده کرده است. همه چیز در این روش خوب است، به جز اینکه این روش از اینورتر ولتاژ کم استفاده می کند - یعنی. حداکثر ولتاژی که به دست می آید کمتر از آن چیزی است که در صورت استفاده از روش پیشرفته PWM می توانید بدست آورید.

بیایید حساب کنیم. به شما اجازه می دهد یک مبدل فرکانس کلاسیک داشته باشید که توسط شبکه سه فاز صنعتی 380 ولت 50 هرتز تغذیه می شود. در اینجا 380 ولت ولتاژ موثر خطی (بین فازها) است. از آنجایی که مبدل حاوی یکسو کننده است، این ولتاژ را یکسو می کند و باس DC ولتاژی برابر با ولتاژ خطی دامنه خواهد داشت، یعنی. 380∙√2=540V ولتاژ DC (حداقل بدون بار). اگر یک الگوریتم محاسبه سینوسی را در ماژول PWM اعمال کنیم، دامنه حداکثر ولتاژ فازی که می‌توانیم به دست آوریم برابر با نصف ولتاژ گذرگاه DC خواهد بود، یعنی. 540/2 = 270 ولت. بیایید به فاز موثر تبدیل کنیم: 270/√2=191V. و اکنون به خطی فعلی: 191∙√3=330V. اکنون می توانیم مقایسه کنیم: 380 ولت وارد شد، اما 330 ولت بیرون آمد ... و شما نمی توانید کار دیگری با این نوع PWM انجام دهید. برای رفع این مشکل به اصطلاح از نوع برداری PWM استفاده می شود. خروجی آن دوباره 380 ولت خواهد بود (در حالت ایده آل، بدون در نظر گرفتن تمام افت ولتاژ). وکتور PWM هیچ ارتباطی با کنترل برداری موتور الکتریکی ندارد. درست است که منطق آن دوباره از هندسه کوچک مدرسه استفاده می کند، به همین دلیل است که به آن بردار می گویند. با این حال، کار او را نمی توان روی انگشتان توضیح داد، بنابراین خواننده را به کتاب (در انتهای مقاله) یا ویکی پدیا ارجاع می دهم. من همچنین می توانم تصویری به شما ارائه دهم که کمی به تفاوت عملکرد PWM سینوسی و برداری اشاره می کند (شکل 10):

شکل 10. تغییر در پتانسیل فاز برای PWM اسکالر و برداری

انواع سنسورهای موقعیت

به هر حال، از چه سنسورهای موقعیت برای کنترل برداری استفاده می شود؟ چهار نوع سنسور وجود دارد که بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. اینها یک رمزگذار افزایشی چهارگانه، یک رمزگذار مبتنی بر عنصر هال، یک رمزگذار موقعیت مطلق و یک رمزگذار سنکرون هستند.
رمزگذار مربعیموقعیت مطلق روتور را نشان نمی دهد - با تکانه های خود فقط به شما امکان می دهد تعیین کنید چقدر مسافت را طی کرده اید ، اما نه از کجا و از کجا (چگونه ابتدا و انتهای آن به محل آهنربای روتور مرتبط است). بنابراین، برای کنترل برداری یک ماشین سنکرون مناسب نیست. علامت مرجع (شاخص) آن وضعیت را کمی ذخیره می کند - در هر چرخش مکانیکی فقط یک چرخش وجود دارد، اگر به آن برسید، موقعیت مطلق مشخص می شود، و از آن می توانید با استفاده از یک سیگنال مربعی چقدر سفر کرده اید. اما چگونه می توان در ابتدای کار به این علامت رسید؟ به طور کلی، این همیشه ناخوشایند نیست.
سنسور المان هال- این یک سنسور خشن است. این تنها چند پالس در هر دور تولید می کند (بسته به تعداد عناصر هال؛ برای موتورهای سه فاز معمولاً سه پالس وجود دارد، یعنی شش پالس)، به شما امکان می دهد موقعیت را با قدر مطلق، اما با دقت کم، بدانید. دقت معمولاً برای حفظ زاویه بردار جریان کافی است تا موتور حداقل به سمت جلو حرکت کند و نه به عقب، اما گشتاور و جریان ها ضربان دارند. اگر موتور شتاب گرفته است، می توانید به مرور زمان سیگنال سنسور را به صورت برنامه ریزی شده شروع کنید - یعنی. یک زاویه خطی متغیر از یک زاویه گسسته خشن بسازید. این بر اساس این فرض انجام می شود که موتور تقریباً با سرعت ثابت می چرخد، چیزی شبیه به این (شکل 11):

شکل 11. عملکرد سنسور موقعیت عنصر هال برای یک ماشین سه فاز و برون یابی سیگنال آن

اغلب ترکیبی از رمزگذار و حسگر جلوه هال برای سروو موتورها استفاده می شود. در این مورد، می توانید یک ماژول نرم افزاری واحد برای پردازش آنها بسازید و معایب هر دو را از بین ببرید: برون یابی زاویه ارائه شده در بالا را انجام دهید، اما نه بر اساس زمان، بلکه با علامت های رمزگذار. آن ها یک رمزگذار در داخل حسگر هال از لبه به لبه عمل می کند و هر لبه هال به وضوح موقعیت زاویه ای مطلق فعلی را مقدار دهی اولیه می کند. در این حالت، تنها اولین حرکت درایو غیربهینه خواهد بود (نه در 90 درجه)، تا زمانی که به جلوی سنسور هال برسد. یک مشکل جداگانه در این مورد، پردازش غیر ایده آل بودن هر دو حسگر است - به ندرت کسی عناصر هال را به طور متقارن و یکنواخت ترتیب می دهد ...

در برنامه های کاربردی حتی گران تر آنها استفاده می کنند رمزگذار مطلقبا یک رابط دیجیتال (رمزگذار مطلق)، که بلافاصله موقعیت مطلق را فراهم می کند و به شما امکان می دهد از مشکلات توضیح داده شده در بالا جلوگیری کنید.

اگر موتور الکتریکی بسیار داغ است و همچنین زمانی که به دقت اندازه گیری زاویه نیاز است، از "آنالوگ" استفاده کنید. سنسور سنکرون(رزولور، ترانسفورماتور دوار). این یک ماشین الکتریکی کوچک است که به عنوان سنسور استفاده می شود. تصور کنید که در ماشین سنکرون که در شکل 1 در نظر گرفتیم، به جای آهنربا، سیم پیچ دیگری وجود دارد که سیگنال فرکانس بالا را به آن اعمال می کنیم. اگر روتور افقی باشد، سیگنال فقط به سیم پیچ استاتور فاز القا می شود α ، اگر عمودی - سپس فقط در β ، اگر آن را 180 بچرخانید، فاز سیگنال تغییر می کند و در موقعیت های میانی طبق قانون سینوس / کسینوس هم اینجا و هم آنجا القا می شود. بر این اساس، با اندازه گیری دامنه سیگنال در دو سیم پیچ، می توان موقعیت را از نسبت این دامنه و تغییر فاز نیز تعیین کرد. با نصب چنین دستگاهی به عنوان سنسور روی اصلی، می توانید موقعیت روتور را پیدا کنید.
سنسورهای موقعیت عجیب و غریب بسیار بیشتری وجود دارد، به خصوص برای کاربردهای با دقت فوق العاده بالا مانند ساخت تراشه الکترونیکی. در آنجا، از هر پدیده فیزیکی فقط برای یافتن موقعیت تا حد امکان دقیق استفاده می شود. ما آنها را در نظر نخواهیم گرفت.

ساده سازی کنترل برداری

همانطور که می دانید، کنترل برداری بسیار سخت است - به آن سنسورهای موقعیت، سنسورهای جریان، کنترل برداری PWM و بدون میکروکنترلر برای محاسبه همه این ریاضیات بدهید. بنابراین، برای کاربردهای ساده ساده شده است. برای شروع، می توانید با ایجاد کنترل برداری بدون حسگر، سنسور موقعیت را حذف کنید. برای انجام این کار، از جادوی ریاضی کمی بیشتر، واقع در مستطیل زرد استفاده کنید (شکل 12):

شکل 12. ساختار کنترل بردار بدون حسگر

ناظر بلوکی است که اطلاعات مربوط به ولتاژ اعمال شده به موتور (مثلاً از یک کار در یک ماژول PWM) و در مورد جریان های موجود در موتور را از حسگرها دریافت می کند. در داخل ناظر مدلی از یک موتور الکتریکی وجود دارد که به طور تقریبی سعی می کند جریان های خود را در استاتور با جریان های اندازه گیری شده از یک موتور واقعی تنظیم کند. اگر موفق شد، می توانیم فرض کنیم که موقعیت روتور شبیه سازی شده در داخل شفت نیز با موقعیت واقعی مطابقت دارد و می تواند برای نیازهای کنترل برداری استفاده شود. خوب، البته این کاملاً ساده شده است. انواع بی شماری از این ناظران وجود دارد. هر دانشجوی فارغ التحصیل متخصص در درایوهای الکتریکی سعی می کند خود را اختراع کند که به نوعی بهتر از دیگران است. اصل اساسی نظارت بر EMF موتور الکتریکی است. بنابراین، اغلب، یک سیستم کنترل بدون سنسور فقط با سرعت چرخش نسبتاً بالا عمل می کند، جایی که EMF بزرگ است. همچنین در مقایسه با وجود سنسور دارای معایبی است: شما باید پارامترهای موتور را بدانید، سرعت درایو محدود است (اگر سرعت چرخش به شدت تغییر کند، ناظر ممکن است وقت نداشته باشد آن را ردیابی کند و "دروغ بگوید" برای مدتی یا حتی "از هم پاشیدگی" کامل) ، راه اندازی یک ناظر یک روش کامل است؛ برای عملکرد باکیفیت آن، باید دقیقاً ولتاژ موتور را بدانید، جریان های آن را به دقت اندازه گیری کنید و غیره.

گزینه ساده سازی دیگری نیز وجود دارد. به عنوان مثال، می توانید به اصطلاح "سوئیچینگ خودکار" را انجام دهید. در این مورد، برای یک موتور سه فاز، آنها روش پیچیده PWM را رها می کنند، ساختار برداری پیچیده را رها می کنند و شروع به روشن کردن فازهای موتور با استفاده از سنسور موقعیت روی عناصر هال می کنند، حتی گاهی اوقات بدون هیچ گونه محدودیت جریان. جریان در فازها سینوسی نیست، بلکه ذوزنقه ای، مستطیلی و یا حتی بیشتر تحریف شده است. اما آنها سعی می کنند با انتخاب لحظه روشن شدن فازها مطمئن شوند که بردار جریان متوسط ​​هنوز در 90 درجه نسبت به "آهنربای روتور" است. در عین حال، با روشن کردن فاز تحت ولتاژ، معلوم نیست چه زمانی جریان در فاز موتور افزایش می یابد. در سرعت چرخش پایین، این کار را سریعتر انجام می دهد، در سرعت بالا، جایی که EMF دستگاه تداخل دارد، این کار را کندتر انجام می دهد؛ نرخ افزایش جریان نیز به اندوکتانس موتور و غیره بستگی دارد. بنابراین، حتی اگر فازها را دقیقاً در زمان مناسب در نظر بگیرید، به هیچ وجه یک واقعیت نیست که بردار جریان متوسط ​​در مکان مناسب و با فاز مناسب باشد - می تواند نسبت به 90 درجه بهینه پیشروی یا تاخیر داشته باشد. بنابراین، در چنین سیستم هایی، یک تنظیم "پیش سوئیچینگ" معرفی می شود - اساساً فقط زمان، چه مقدار زودتر ولتاژ باید به فاز موتور اعمال شود، به طوری که در پایان فاز بردار جریان به 90 درجه نزدیکتر شود. به زبان ساده، به این «تنظیم زمان‌بندی» می‌گویند. از آنجایی که جریان یک موتور الکتریکی در حین کموتاسیون خودکار سینوسی نیست، پس اگر ماشین سینوسی که در بالا توضیح داده شد را بگیرید و آن را به این روش کنترل کنید، گشتاور روی شفت تپش خواهد داشت. بنابراین، در موتورهایی که برای کموتاسیون خودکار طراحی شده اند، هندسه مغناطیسی روتور و استاتور اغلب به روش خاصی تغییر می کند تا آنها را برای این نوع کنترل مناسب تر کند: EMF چنین ماشین هایی به شکل ذوزنقه ای ساخته می شود، به همین دلیل آنها بهتر کار می کنند. حالت کموتاسیون خودکار ماشین های سنکرون که برای کموتاسیون خودکار بهینه شده اند موتورهای جریان مستقیم بدون جاروبک (BLDC) یا به انگلیسی BLDC (موتور جریان مستقیم بدون جاروبک) نامیده می شوند. حالت کموتاسیون خودکار اغلب حالت سوپاپ نیز نامیده می شود و موتورهایی که با آن کار می کنند از نوع سوپاپ هستند. اما اینها همه فقط نام های متفاوتی هستند که به هیچ وجه بر ماهیت تأثیر نمی گذارند (اما اپراتورهای باتجربه درایو برقی اغلب در موارد مربوط به این نام ها از CPGS رنج می برند). یک ویدیوی خوب وجود دارد که اصل عملکرد چنین ماشین هایی را نشان می دهد. این یک موتور معکوس را نشان می دهد که روتور در خارج و استاتور در داخل قرار دارد:

اما دوره ای از مقالات در مورد چنین موتورها و سخت افزار سیستم کنترل وجود دارد.

شما می توانید به سمت ساده سازی حتی بیشتر بروید. سیم پیچ ها را طوری تغییر دهید که یک فاز همیشه "آزاد" باشد و هیچ PWM روی آن اعمال نشود. سپس می توان EMF (ولتاژ القایی در سیم پیچ فاز) را اندازه گیری کرد و زمانی که این ولتاژ از صفر عبور کرد، از آن به عنوان سیگنال سنسور موقعیت روتور استفاده کنید، زیرا فاز این ولتاژ القایی دقیقاً به موقعیت ولتاژ بستگی دارد. روتور این منجر به جابجایی خودکار بدون حسگر می شود که به طور گسترده در درایوهای ساده مختلف، به عنوان مثال، در "رگولاتورها" برای پروانه های مدل هواپیما استفاده می شود. باید به خاطر داشت که EMF دستگاه فقط با سرعت چرخش نسبتاً بالایی ظاهر می شود، بنابراین، برای شروع، چنین سیستم های کنترلی به سادگی فازها را به آرامی تغییر می دهند، به این امید که روتور موتور از جریان عرضه شده پیروی کند. به محض ظاهر شدن EMF، حالت کموتاسیون خودکار فعال می شود. بنابراین، یک سیستم بدون سنسور (بسیار ساده و اغلب پیچیده) برای کارهایی که موتور باید قادر به ایجاد گشتاور در سرعت های نزدیک به صفر باشد، مناسب نیست، به عنوان مثال، برای کشش یک ماشین (یا مدل آن) ، یک سروو درایو فلان مکانیسم و ​​غیره P. اما سیستم بدون سنسور با موفقیت برای پمپ ها و فن ها مناسب است، جایی که از آن استفاده می شود.

اما گاهی اوقات ساده سازی های بزرگ تری انجام می دهند. با تعویض فازها با سوئیچ مکانیکی مخصوص می توانید میکروکنترلر، کلیدها، سنسورهای موقعیت و موارد دیگر را کاملاً رها کنید (شکل 13):

شکل 13. کلید مکانیکی برای سوئیچینگ سیم پیچ

هنگام چرخش، خود روتور قسمت های سیم پیچ خود را تغییر می دهد و ولتاژ اعمال شده به آنها را تغییر می دهد، در حالی که جریان متناوب در روتور جریان می یابد. کموتاتور به گونه ای قرار می گیرد که شار مغناطیسی روتور و استاتور دوباره نزدیک به 90 درجه باشد تا حداکثر گشتاور حاصل شود. چنین موتورهایی ساده لوحانه موتورهای DC نامیده می شوند، اما کاملاً بی ارزش: در داخل، بعد از کلکتور، جریان هنوز متناوب است!

نتیجه

همه ماشین های الکتریکی به روشی مشابه کار می کنند. در تئوری درایوهای الکتریکی، حتی مفهوم "ماشین الکتریکی تعمیم یافته" وجود دارد که کار دیگران به آن کاهش می یابد. توضیحات "دستی" نشان داده شده در مقاله به هیچ وجه نمی تواند به عنوان راهنمای عملی برای نوشتن کد میکروکنترلر باشد. این مقاله به خوبی در مورد یک درصد از اطلاعاتی که برای اجرای کنترل برداری واقعی لازم است بحث می کند. برای انجام کاری در عمل، ابتدا باید TAU را بدانید، حداقل در سطح درک نحوه عملکرد کنترلر PI. سپس شما هنوز باید توصیف ریاضی ماشین سنکرون و سنتز کنترل برداری را مطالعه کنید. همچنین بردار PWM را مطالعه کنید، بدانید که جفت قطب چیست، با انواع سیم پیچی ماشین و ... آشنا شوید. این را می توان در آخرین کتاب «سیستم های کنترل درایو Anuchin A.S. Electric. MPEI، 2015، و همچنین در "Kalachev Yu. N. تنظیم بردار (یادداشت های تمرینی)". باید به خواننده نسبت به فرو رفتن در فرمول های کتاب های درسی "قدیمی" در درایوها هشدار داد، جایی که تاکید اصلی بر در نظر گرفتن ویژگی های موتورهای الکتریکی است که به طور مستقیم از یک شبکه صنعتی سه فاز تغذیه می شوند، بدون هیچ گونه میکروکنترلر و سنسور موقعیت. رفتار موتورها در این مورد با فرمول‌ها و وابستگی‌های پیچیده توصیف می‌شود، اما برای مشکل کنترل بردار تقریباً هیچ فایده‌ای ندارند (اگر فقط برای توسعه خود مطالعه شوند). شما باید به ویژه در مورد توصیه های کتاب های درسی قدیمی مراقب باشید، جایی که، به عنوان مثال، گفته می شود که یک ماشین سنکرون نباید با حداکثر گشتاور خود کار کند، زیرا عملیات در آنجا ناپایدار است و تهدید به واژگونی می کند - همه اینها "توصیه بد" است. ” برای کنترل برداری.

در مورد اینکه کدام میکروکنترلر را می توانید کنترل برداری کامل انجام دهید ، به عنوان مثال ، در مقاله ما میکروکنترلر داخلی کنترل موتور داخلی K1921VK01T JSC NIIET و نحوه اشکال زدایی آن را در مقاله روشهای اشکال زدایی نرم افزار میکروکنترلر در درایو الکتریکی بخوانید. همچنین از وب سایت ما دیدن کنید: به طور خاص، دو ویدیوی خسته کننده در آنجا پست شده است که در عمل نحوه راه اندازی یک کنترل کننده جریان PI و همچنین نحوه عملکرد ساختار کنترل بدون سنسور با جریان بسته و برداری را نشان می دهد. علاوه بر این، می توانید یک کیت اشکال زدایی با ساختار کنترل بردار حسگر آماده روی یک میکروکنترلر خانگی خریداری کنید.

P.S.
من از متخصصان به دلیل عدم استفاده صحیح از برخی اصطلاحات، به ویژه اصطلاحات "جریان"، "پیوند شار"، "میدان مغناطیسی" و دیگران عذرخواهی می کنم - سادگی نیاز به فداکاری دارد ...

طبق آخرین آمار، تقریباً 70 درصد از کل برق تولید شده در جهان توسط درایوهای الکتریکی مصرف می شود. و هر سال این درصد در حال افزایش است.

با یک روش صحیح انتخاب شده برای کنترل موتور الکتریکی، می توان حداکثر بازده، حداکثر گشتاور روی شفت ماشین الکتریکی را به دست آورد و در عین حال عملکرد کلی مکانیزم را افزایش داد. موتورهای الکتریکی کارآمد حداقل برق مصرف می کنند و حداکثر کارایی را ارائه می دهند.

برای موتورهای الکتریکی که توسط یک اینورتر تغذیه می شوند، راندمان تا حد زیادی به روش انتخاب شده برای کنترل ماشین الکتریکی بستگی دارد. تنها با درک شایستگی‌های هر روش، مهندسان و طراحان سیستم محرک می‌توانند حداکثر عملکرد را از هر روش کنترلی دریافت کنند.
محتوا:

روش های کنترل

بسیاری از افرادی که در زمینه اتوماسیون کار می کنند، اما از نزدیک در توسعه و اجرای سیستم های محرک الکتریکی دخالت ندارند، بر این باورند که کنترل موتور الکتریکی شامل مجموعه ای از دستورات است که با استفاده از یک رابط از یک کنترل پنل یا رایانه شخصی وارد می شود. بله، از نظر سلسله مراتب کلی کنترل یک سیستم خودکار، این درست است، اما راه هایی برای کنترل خود موتور الکتریکی نیز وجود دارد. این روش ها هستند که بیشترین تأثیر را بر عملکرد کل سیستم خواهند داشت.

برای موتورهای آسنکرون متصل به مبدل فرکانس، چهار روش کنترل اصلی وجود دارد:

• U/f – ولت بر هرتز؛
• U/f با رمزگذار؛
• کنترل برداری حلقه باز.
• کنترل بردار حلقه بسته.

هر چهار روش از مدولاسیون عرض پالس PWM استفاده می کنند که عرض سیگنال ثابت را با تغییر عرض پالس ها برای ایجاد سیگنال آنالوگ تغییر می دهد.

مدولاسیون عرض پالس با استفاده از یک ولتاژ باس DC ثابت به مبدل فرکانس اعمال می شود. با باز و بسته شدن سریع (به طور صحیح تر، سوئیچینگ) پالس های خروجی تولید می کنند. با تغییر عرض این پالس ها در خروجی، یک "سینوسوئید" با فرکانس مورد نظر به دست می آید. حتی اگر شکل ولتاژ خروجی ترانزیستورها پالسی باشد، جریان همچنان به شکل سینوسی به دست می آید، زیرا موتور الکتریکی دارای اندوکتانس است که بر شکل جریان تأثیر می گذارد. تمام روش های کنترل بر اساس مدولاسیون PWM هستند. تفاوت بین روش های کنترل فقط در روش محاسبه ولتاژ عرضه شده به موتور الکتریکی است.

در این حالت، فرکانس حامل (با رنگ قرمز نشان داده شده است) حداکثر فرکانس سوئیچینگ ترانزیستورها را نشان می دهد. فرکانس حامل برای اینورترها معمولاً در محدوده 2 کیلوهرتز تا 15 کیلوهرتز است. مرجع فرکانس (به رنگ آبی نشان داده شده است) سیگنال فرمان فرکانس خروجی است. برای اینورترهای مورد استفاده در سیستم های محرک الکتریکی معمولی، معمولاً از 0 هرتز تا 60 هرتز متغیر است. هنگامی که سیگنال‌های دو فرکانس روی یکدیگر قرار می‌گیرند، سیگنالی برای باز کردن ترانزیستور (با رنگ مشکی) صادر می‌شود که ولتاژ برق را به موتور الکتریکی می‌رساند.

روش کنترل U/F

کنترل ولت در هر هرتز، که بیشتر به عنوان U/F شناخته می شود، شاید ساده ترین روش کنترل باشد. به دلیل سادگی و حداقل تعداد پارامترهای مورد نیاز برای کار، اغلب در سیستم های محرک الکتریکی ساده استفاده می شود. این روش کنترلی نیازی به نصب اجباری رمزگذار و تنظیمات اجباری برای درایو الکتریکی با فرکانس متغیر ندارد (اما توصیه می شود). این منجر به کاهش هزینه برای تجهیزات کمکی (حسگرها، سیم‌های بازخورد، رله‌ها و غیره) می‌شود. کنترل U/F اغلب در تجهیزات فرکانس بالا استفاده می شود، به عنوان مثال، اغلب در ماشین های CNC برای هدایت چرخش دوک استفاده می شود.

مدل گشتاور ثابت دارای گشتاور ثابت در کل محدوده سرعت با همان نسبت U/F است. مدل نسبت گشتاور متغیر ولتاژ تغذیه کمتری در سرعت های پایین دارد. این برای جلوگیری از اشباع ماشین الکتریکی ضروری است.

U/F تنها راه برای تنظیم سرعت موتور الکتریکی ناهمزمان است که امکان کنترل چندین درایو الکتریکی از یک مبدل فرکانس را فراهم می کند. بر این اساس، تمام ماشین ها به طور همزمان شروع و متوقف می شوند و در یک فرکانس کار می کنند.

اما این روش کنترل چندین محدودیت دارد. به عنوان مثال، هنگام استفاده از روش کنترل U/F بدون رمزگذار، مطلقاً هیچ اطمینانی وجود ندارد که شفت یک ماشین ناهمزمان بچرخد. علاوه بر این، گشتاور راه اندازی یک ماشین الکتریکی در فرکانس 3 هرتز به 150٪ محدود می شود. بله، گشتاور محدود برای جا دادن بیشتر تجهیزات موجود بیش از اندازه کافی است. به عنوان مثال تقریباً همه فن ها و پمپ ها از روش کنترل U/F استفاده می کنند.

این روش به دلیل مشخصات شلتر نسبتاً ساده است. تنظیم سرعت معمولاً در محدوده 2٪ - 3٪ حداکثر فرکانس خروجی است. پاسخ سرعت برای فرکانس های بالاتر از 3 هرتز محاسبه می شود. سرعت پاسخ مبدل فرکانس با سرعت پاسخ آن به تغییرات فرکانس مرجع تعیین می شود. هرچه سرعت پاسخ بالاتر باشد، درایو الکتریکی سریعتر به تغییرات تنظیم سرعت پاسخ می دهد.

محدوده کنترل سرعت هنگام استفاده از روش U/F 1:40 است. با ضرب این نسبت در حداکثر فرکانس کاری درایو الکتریکی، مقدار حداقل فرکانسی را که ماشین الکتریکی می تواند در آن کار کند، بدست می آوریم. به عنوان مثال، اگر حداکثر مقدار فرکانس 60 هرتز و محدوده 1:40 باشد، حداقل مقدار فرکانس 1.5 هرتز خواهد بود.

الگوی U/F رابطه بین فرکانس و ولتاژ را در حین کار درایو فرکانس متغیر تعیین می کند. بر اساس آن، منحنی تنظیم سرعت چرخش (فرکانس موتور) علاوه بر مقدار فرکانس، مقدار ولتاژ عرضه شده به پایانه های ماشین الکتریکی را نیز تعیین می کند.

اپراتورها و تکنسین ها می توانند الگوی کنترل U/F مورد نظر را با یک پارامتر در یک مبدل فرکانس مدرن انتخاب کنند. قالب های از پیش نصب شده در حال حاضر برای برنامه های خاص بهینه شده اند. همچنین فرصت هایی برای ایجاد الگوهای خود وجود دارد که برای یک درایو فرکانس متغیر خاص یا سیستم موتور الکتریکی بهینه می شوند.

دستگاه هایی مانند فن ها یا پمپ ها دارای گشتاور بار هستند که به سرعت چرخش آنها بستگی دارد. گشتاور متغیر (تصویر بالا) الگوی U/F از خطاهای کنترل جلوگیری می کند و کارایی را بهبود می بخشد. این مدل کنترلی با کاهش ولتاژ در ماشین الکتریکی، جریان های مغناطیسی را در فرکانس های پایین کاهش می دهد.

مکانیسم های گشتاور ثابت مانند نوار نقاله ها، اکسترودرها و سایر تجهیزات از روش کنترل گشتاور ثابت استفاده می کنند. با بار ثابت، جریان مغناطیسی کامل در تمام سرعت ها مورد نیاز است. بر این اساس، مشخصه دارای یک شیب مستقیم در کل محدوده سرعت است.

روش کنترل U/F با رمزگذار

در صورت نیاز به افزایش دقت کنترل سرعت چرخش، یک رمزگذار به سیستم کنترل اضافه می شود. معرفی بازخورد سرعت با استفاده از رمزگذار به شما امکان می دهد دقت کنترل را تا 0.03٪ افزایش دهید. ولتاژ خروجی همچنان با الگوی U/F مشخص شده تعیین می شود.

این روش کنترلی به طور گسترده مورد استفاده قرار نمی گیرد، زیرا مزایایی که در مقایسه با توابع استاندارد U/F ارائه می دهد حداقل است. گشتاور راه اندازی، سرعت پاسخ و محدوده کنترل سرعت همگی با U/F استاندارد یکسان هستند. علاوه بر این، هنگام افزایش فرکانس های عملیاتی، ممکن است مشکلاتی در عملکرد رمزگذار ایجاد شود، زیرا تعداد دورهای محدودی دارد.

کنترل برداری حلقه باز

کنترل برداری حلقه باز (VC) برای کنترل گسترده تر و پویاتر سرعت یک ماشین الکتریکی استفاده می شود. هنگام راه اندازی از مبدل فرکانس، موتورهای الکتریکی می توانند گشتاور راه اندازی 200 درصد گشتاور نامی را در فرکانس 0.3 هرتز ایجاد کنند. این به طور قابل توجهی فهرست مکانیسم هایی را گسترش می دهد که در آن ها می توان از یک درایو الکتریکی ناهمزمان با کنترل برداری استفاده کرد. این روش همچنین به شما امکان می دهد گشتاور دستگاه را در هر چهار ربع کنترل کنید.

گشتاور توسط موتور محدود می شود. این برای جلوگیری از آسیب به تجهیزات، ماشین آلات یا محصولات ضروری است. مقدار گشتاورها بسته به جهت چرخش ماشین الکتریکی (به جلو یا عقب) و بسته به اینکه موتور الکتریکی اجرا می کند به چهار ربع مختلف تقسیم می شود. محدودیت ها را می توان برای هر ربع به صورت جداگانه تنظیم کرد یا کاربر می تواند گشتاور کلی را در مبدل فرکانس تنظیم کند.

حالت موتور یک ماشین ناهمزمان ارائه می شود که میدان مغناطیسی روتور از میدان مغناطیسی استاتور عقب بماند. اگر میدان مغناطیسی روتور شروع به پیشی گرفتن از میدان مغناطیسی استاتور کند، دستگاه با آزادسازی انرژی وارد حالت ترمز احیا می شود؛ به عبارت دیگر، موتور ناهمزمان به حالت ژنراتور تغییر می کند.

به عنوان مثال، یک ماشین درب بطری ممکن است از محدود کننده گشتاور در ربع 1 (جهت رو به جلو با گشتاور مثبت) برای جلوگیری از سفت شدن بیش از حد درب بطری استفاده کند. مکانیسم به جلو حرکت می کند و از گشتاور مثبت برای سفت کردن درب بطری استفاده می کند. اما دستگاهی مانند آسانسور با وزنه تعادلی سنگین تر از کابین خالی از ربع 2 (چرخش معکوس و گشتاور مثبت) استفاده می کند. اگر کابین به طبقه بالا برود، گشتاور بر خلاف سرعت خواهد بود. این برای محدود کردن سرعت بلند کردن و جلوگیری از سقوط آزاد وزنه ضروری است، زیرا وزن آن از کابین سنگین تر است.

بازخورد جریان در این مبدل های فرکانس به شما امکان می دهد محدودیت هایی را برای گشتاور و جریان موتور الکتریکی تعیین کنید، زیرا با افزایش جریان، گشتاور نیز افزایش می یابد. ولتاژ خروجی اینورتر ممکن است در صورتی که مکانیسم به گشتاور بیشتری نیاز داشته باشد افزایش یابد یا در صورت رسیدن به حداکثر مقدار مجاز آن کاهش یابد. این باعث می شود که اصل کنترل برداری یک ماشین ناهمزمان در مقایسه با اصل U/F انعطاف پذیرتر و پویاتر باشد.

همچنین مبدل های فرکانس با کنترل برداری و حلقه باز دارای پاسخ سرعت 10 هرتز سریع تری هستند که امکان استفاده از آن را در مکانیزم های دارای بار ضربه ای ممکن می سازد. به عنوان مثال، در سنگ شکن ها، بار به طور مداوم در حال تغییر است و به حجم و ابعاد سنگ در حال پردازش بستگی دارد.

برخلاف الگوی کنترل U/F، کنترل برداری از یک الگوریتم برداری برای تعیین حداکثر ولتاژ کاری موثر موتور الکتریکی استفاده می کند.

کنترل برداری VU این مشکل را به دلیل وجود بازخورد در جریان موتور حل می کند. به عنوان یک قاعده، بازخورد جریان توسط ترانسفورماتورهای جریان داخلی خود مبدل فرکانس تولید می شود. مبدل فرکانس با استفاده از مقدار جریان بدست آمده، گشتاور و شار ماشین الکتریکی را محاسبه می کند. بردار اصلی جریان موتور از نظر ریاضی به بردار جریان مغناطیسی (I d) و گشتاور (I q) تقسیم می شود.

اینورتر با استفاده از داده ها و پارامترهای ماشین الکتریکی، بردارهای جریان مغناطیسی (I d) و گشتاور (I q) را محاسبه می کند. برای دستیابی به حداکثر عملکرد، مبدل فرکانس باید Id و I q را با زاویه 90 0 از هم جدا نگه دارد. این مهم است زیرا sin 90 0 = 1، و مقدار 1 نشان دهنده حداکثر مقدار گشتاور است.

به طور کلی، کنترل برداری یک موتور القایی کنترل دقیق تری را فراهم می کند. تنظیم سرعت تقریباً ± 0.2٪ از حداکثر فرکانس است و محدوده تنظیم به 1:200 می رسد که می تواند هنگام کار در سرعت های پایین گشتاور را حفظ کند.

کنترل بازخورد برداری

کنترل برداری بازخورد از همان الگوریتم کنترلی مانند VAC حلقه باز استفاده می کند. تفاوت اصلی وجود یک رمزگذار است که به درایو فرکانس متغیر اجازه می دهد تا 200٪ گشتاور شروع را در 0 دور در دقیقه ایجاد کند. این نکته صرفاً برای ایجاد یک لحظه اولیه هنگام حرکت از آسانسورها، جرثقیل ها و سایر ماشین آلات بالابر به منظور جلوگیری از نشست بار ضروری است.

وجود سنسور بازخورد سرعت به شما امکان می دهد زمان پاسخگویی سیستم را به بیش از 50 هرتز افزایش دهید و همچنین محدوده کنترل سرعت را تا 1:1500 افزایش دهید. همچنین وجود بازخورد به شما امکان می دهد نه سرعت ماشین الکتریکی، بلکه گشتاور را کنترل کنید. در برخی مکانیسم ها، مقدار گشتاور است که از اهمیت بالایی برخوردار است. به عنوان مثال، ماشین سیم پیچ، مکانیسم های گرفتگی و غیره. در چنین دستگاه هایی لازم است که گشتاور دستگاه تنظیم شود.

• آموزش

- کنترل برداری چیست؟
- جریان را در 90 درجه نگه دارید.

اصطلاح "کنترل برداری" موتورهای الکتریکی برای هر کسی که حداقل تا حدودی به این سوال که چگونه یک موتور AC را با استفاده از یک میکروکنترلر کنترل کند علاقه مند است آشنا است. با این حال، معمولاً در هر کتابی در مورد درایوهای الکتریکی، فصل مربوط به کنترل برداری تقریباً به پایان می رسد، که شامل یک دسته فرمول های مودار با ارجاع به تمام فصل های دیگر کتاب است. چرا اصلا نمی خواهید این موضوع را بفهمید؟ و حتی ساده ترین توضیح ها هنوز از طریق معادلات تعادل دیفرانسیل، نمودارهای برداری و دسته ای از ریاضیات دیگر می گذرد. به همین دلیل، به نظر می رسد تلاش هایی مانند این به نوعی موتور را بدون استفاده از سخت افزار روشن می کند. اما در واقع، اگر اصل عملکرد آن را "روی انگشتان خود" درک کنید، کنترل برداری بسیار ساده است. و سپس در صورت لزوم پرداختن به فرمول ها سرگرم کننده تر خواهد بود.

اصل عملکرد یک ماشین سنکرون

بیایید اصل عملکرد ساده ترین موتور AC - یک ماشین سنکرون آهنربای دائمی را در نظر بگیریم. یک مثال مناسب یک قطب نما است: سوزن مغناطیسی آن روتور یک ماشین سنکرون است و میدان مغناطیسی زمین میدان مغناطیسی استاتور است. بدون بار خارجی (و هیچ باری در قطب نما وجود ندارد، به جز اصطکاک و سیالی که نوسانات سوزن را می‌نکند)، روتور همیشه در امتداد میدان استاتور قرار دارد. اگر قطب نما را در دست بگیریم و زمین را زیر آن بچرخانیم، سوزن نیز همراه با آن می چرخد ​​و کار مخلوط کردن سیال داخل قطب نما را انجام می دهد. اما یک راه کمی ساده تر وجود دارد - می توانید یک آهنربای خارجی، به عنوان مثال، به شکل میله ای با قطب هایی در انتهای آن، که میدان آن بسیار قوی تر از میدان مغناطیسی زمین است، بگیرید، آن را از بالا به قطب نما بیاورید. و آهنربا را بچرخانید. فلش به دنبال میدان مغناطیسی دوار حرکت می کند. در یک موتور سنکرون واقعی، میدان استاتور توسط آهنرباهای الکتریکی ایجاد می شود - سیم پیچ هایی با جریان. مدارهای سیم پیچ در آنجا پیچیده هستند، اما اصل یکسان است - آنها یک میدان مغناطیسی با استاتور ایجاد می کنند، که در جهت مورد نظر هدایت می شوند و دامنه مورد نیاز را دارند. بیایید به شکل زیر نگاه کنیم (شکل 1). در مرکز یک آهنربا وجود دارد - روتور یک موتور سنکرون ("فلش" قطب نما) و در طرفین دو آهنربای الکتریکی - سیم پیچ وجود دارد که هر یک میدان مغناطیسی خود را ایجاد می کند، یکی در محور عمودی، دیگری در محور عمودی. در افقی

شکل 1. اصل عملکرد یک ماشین الکتریکی سنکرون

شار مغناطیسی سیم پیچ با جریان موجود در آن (به تقریب اول) متناسب است. ما به شار مغناطیسی از استاتور در مکانی که روتور در آن قرار دارد، علاقه مند خواهیم بود. در مرکز تصویر (از جلوه های لبه، پراکندگی و هر چیز دیگری غفلت می کنیم). شارهای مغناطیسی دو سیم پیچ عمود بر هم به صورت برداری اضافه می شوند و یک شار مشترک را برای برهمکنش با روتور تشکیل می دهند. اما از آنجایی که شار متناسب با جریان در سیم پیچ است، رسم بردارهای جریان به طور مستقیم و تراز کردن آنها با شار راحت است. شکل چند جریان را نشان می دهد من αو من βایجاد شار مغناطیسی در امتداد محور α و β به ترتیب. بردار جریان کل استاتور استیک شار مغناطیسی استاتور با هدایت مشترک ایجاد می کند. آن ها در حقیقت استنماد آهنربای خارجی است که ما به قطب نما آورده ایم، اما توسط آهنرباهای الکتریکی ایجاد شده است - سیم پیچ هایی با جریان.
در شکل، روتور در یک موقعیت دلخواه قرار دارد، اما از این موقعیت، روتور مطابق با شار مغناطیسی استاتور، به چرخش تمایل پیدا می کند. توسط بردار است(موقعیت روتور در این حالت با خط نقطه نشان داده می شود). بر این اساس، اگر جریان را فقط به فاز اعمال کنید α ، بیایید بگوییم من α= 1A، روتور به صورت افقی خواهد ایستاد، و اگر در β، به صورت عمودی، و اگر اعمال کنید من β= -1 و سپس 180 درجه می چرخد. اگر جریان را تامین کنید من αطبق قانون سینوس و من βطبق قانون کسینوس زمان، میدان مغناطیسی دوار ایجاد می شود. روتور آن را دنبال می کند و می چرخد ​​(مانند یک سوزن قطب نما که چرخش آهنربا را با دست دنبال می کند). این اصل اساسی عملکرد یک ماشین سنکرون است، در این مورد یک ماشین دو فاز با یک جفت پلاس.
بیایید نموداری از گشتاور موتور بسته به موقعیت زاویه ای محور روتور و بردار جریان رسم کنیم. استاستاتور - مشخصه زاویه ای یک موتور سنکرون. این وابستگی سینوسی است (شکل 2).

شکل 2. مشخصه زاویه ای یک ماشین سنکرون (در اینجا مقداری سردرگمی تاریخی با علائم لحظه و زاویه وجود دارد، به همین دلیل است که این مشخصه اغلب به صورت وارونه نسبت به محور افقی ترسیم می شود).

برای به دست آوردن این نمودار در عمل، می توانید یک سنسور گشتاور را روی محور روتور قرار دهید، سپس هر بردار جریان را روشن کنید، به عنوان مثال، به سادگی جریان را به فاز α اعمال کنید. روتور به موقعیت مناسب می چرخد ​​که باید به عنوان صفر در نظر گرفته شود. سپس، از طریق سنسور گشتاور، باید روتور را "با دست" بچرخانید، زاویه روی نمودار را در هر نقطه ثابت کنید. θ ، که چرخانده شد و لحظه ای که سنسور نشان داد. آن ها شما باید "فنر مغناطیسی" موتور را از طریق سنسور گشتاور بکشید. بزرگترین لحظه در زاویه 90 درجه از بردار فعلی (از ابتدا) خواهد بود. دامنه حداکثر گشتاور حاصل Mmax متناسب با دامنه بردار جریان اعمال شده است. اگر 1A اعمال شود، مثلاً M max = 1 N∙m (نیوتن*متر، واحد اندازه گیری گشتاور) بدست می آوریم، اگر 2A اعمال کنیم، M max = 2 N∙m بدست می آوریم.

از این مشخصه نتیجه می شود که موتور بیشترین گشتاور را زمانی ایجاد می کند که روتور در 90 درجه نسبت به بردار جریان باشد. از آنجایی که هنگام ایجاد یک سیستم کنترل روی یک میکروکنترلر، می خواهیم بیشترین گشتاور را از موتور با حداقل تلفات به دست آوریم و تلفات، اول از همه، جریان در سیم پیچ ها است، منطقی تر است که همیشه جریان را تنظیم کنیم. بردار در 90 درجه نسبت به میدان مغناطیسی روتور، یعنی. عمود بر آهنربا در شکل 1. ما باید همه چیز را برعکس تغییر دهیم - روتور به سمت بردار جریانی که ما تنظیم می کنیم حرکت نمی کند، اما ما همیشه بردار جریان را 90 درجه روی روتور قرار می دهیم، مهم نیست که چگونه در آنجا بچرخد. ، یعنی بردار جریان را به روتور "میخ" کنید. گشتاور موتور را با دامنه جریان تنظیم می کنیم. هرچه دامنه بیشتر باشد، گشتاور بیشتر است. اما فرکانس چرخش، فرکانس جریان در سیم‌پیچ‌ها دیگر کار "ما" نیست - چه اتفاقی می‌افتد، روتور چگونه می‌چرخد، بنابراین می‌شود - ما گشتاور روی شفت را کنترل می‌کنیم. به اندازه کافی عجیب، این دقیقا همان چیزی است که کنترل برداری نامیده می شود - زمانی که ما بردار جریان استاتور را طوری کنترل می کنیم که در 90 درجه نسبت به میدان مغناطیسی روتور باشد. اگرچه برخی کتاب‌های درسی تعاریف گسترده‌تری ارائه می‌دهند، تا جایی که کنترل برداری به طور کلی به هر قانون کنترلی که در آن «بردارها» درگیر است اشاره دارد، اما معمولاً کنترل برداری دقیقاً به روش کنترل فوق اشاره دارد.

ساخت یک ساختار کنترل برداری

اما کنترل برداری در عمل چگونه حاصل می شود؟ بدیهی است که ابتدا باید موقعیت روتور را بدانید تا چیزی برای اندازه گیری 90 درجه نسبت به آن داشته باشید. ساده ترین راه برای انجام این کار نصب سنسور موقعیت بر روی شفت روتور است. سپس باید نحوه ایجاد یک بردار جریان را با حفظ جریان های مورد نظر در فازها بیابید α و β . ما به موتور ولتاژ میدیم نه جریان... اما چون میخوایم چیزی رو ساپورت کنیم باید اندازه بگیریم. بنابراین، برای کنترل برداری به سنسورهای جریان فاز نیاز دارید. در مرحله بعد، باید یک ساختار کنترل برداری را در قالب یک برنامه روی یک میکروکنترلر جمع آوری کنید که بقیه کارها را انجام می دهد. برای اینکه این توضیح مانند دستورالعمل "نحوه کشیدن جغد" به نظر نرسد، شیرجه را ادامه می دهیم.
شما می توانید جریان را با میکروکنترلر با استفاده از یک نرم افزار تنظیم کننده جریان PI (تناسبی-انتگرال) و PWM حفظ کنید. به عنوان مثال، ساختاری با تنظیم کننده جریان برای یک فاز α در زیر نشان داده شده است (شکل 3).

شکل 3. ساختار کنترل جریان بسته برای یک فاز

اینجا تنظیمات فعلی است من α_بازگشت- یک ثابت مشخص، جریانی که می خواهیم برای این فاز حفظ کنیم، به عنوان مثال 1A. کار به جمع کننده تنظیم کننده فعلی ارسال می شود که ساختار افشا شده آن در بالا نشان داده شده است. اگر خواننده نمی داند کنترل کننده PI چگونه کار می کند، افسوس. من فقط می توانم برخی از این را توصیه کنم. تنظیم کننده جریان خروجی ولتاژ فاز را تنظیم می کند U α. ولتاژ به بلوک PWM عرضه می‌شود، که تنظیمات چرخه کار (تنظیمات مقایسه) را برای تایمرهای PWM میکروکنترلر محاسبه می‌کند و PWM را روی یک اینورتر پل از چهار سوئیچ تولید می‌کند. U α. الگوریتم می تواند متفاوت باشد، به عنوان مثال، برای ولتاژ مثبت، PWM قفسه سمت راست متناسب با تنظیم ولتاژ است، سوئیچ پایینی در سمت چپ بسته است، برای PWM منفی، سمت چپ، سوئیچ پایینی در سمت راست بسته است. فراموش نکنید که زمان مرده را اضافه کنید! در نتیجه، چنین ساختاری نرم‌افزار را به هزینه منبع ولتاژ تبدیل به «منبع جریان» می‌کند: ما مقدار مورد نیاز خود را تعیین می‌کنیم. من α_بازگشت، و این ساختار آن را با سرعت مشخصی اجرا می کند.

علاوه بر این، شاید برخی از خوانندگان قبلاً فکر کرده اند که ساختار کنترل بردار فقط یک موضوع کوچک با شما فاصله دارد - شما باید دو تنظیم کننده جریان را نصب کنید، یک تنظیم کننده برای هر فاز، و بسته به زاویه سنسور موقعیت روتور، وظیفه ای بر روی آنها ایجاد کنید ( RPS)، یعنی e. چیزی شبیه به این ساختار بسازید (شکل 4):

شکل 4. ساختار کنترل بردار نادرست (ساده لوح).

شما نمی توانید این کار را انجام دهید. هنگامی که روتور می چرخد، متغیرها من α_بازگشتو من β_بازگشتسینوسی خواهد بود، یعنی. وظیفه تنظیم کننده های فعلی همیشه تغییر خواهد کرد. سرعت کنترلر بی نهایت نیست، بنابراین وقتی کار تغییر می کند، بلافاصله آن را پردازش نمی کند. اگر کار دائماً تغییر کند، تنظیم کننده همیشه به آن می رسد و هرگز به آن نمی رسد. و با افزایش سرعت چرخش موتور، تأخیر جریان واقعی از جریان داده شده بزرگتر و بزرگتر می شود تا زمانی که زاویه 90 درجه مورد نظر بین جریان و آهنربای روتور به هیچ وجه شبیه آن نباشد و بردار کنترل دیگر وجود ندارد. به همین دلیل آنها این کار را متفاوت انجام می دهند. ساختار صحیح به شرح زیر است (شکل 5):

شکل 5. ساختار کنترل حسگر برداری برای ماشین سنکرون دو فاز

دو بلوک در اینجا اضافه شده است - BKP_1 و BKP_2: بلوک های تبدیل مختصات. آنها یک کار بسیار ساده انجام می دهند: آنها بردار ورودی را با یک زاویه مشخص می چرخانند. علاوه بر این، BOD_1 به + تبدیل می‌شود ϴ و BKP_2 در - ϴ . این همه تفاوت بین آنهاست. در ادبیات خارجی به آنها تبدیل پارک می گویند. BKP_2 تبدیل مختصات را برای جریان ها انجام می دهد: از محورهای ثابت α و β ، به استاتور موتور، به محورهای دوار گره خورده است دو q، به روتور موتور گره خورده است (با استفاده از زاویه موقعیت روتور ϴ ). و BKP_1 تغییر شکل معکوس را از تنظیم ولتاژ در امتداد محورها انجام می دهد دو qانتقال به محورها را انجام می دهد α و β . من هیچ فرمولی برای تبدیل مختصات ارائه نمی دهم، اما آنها ساده هستند و پیدا کردن آنها بسیار آسان است. در واقع، هیچ چیز پیچیده تر از هندسه مدرسه وجود ندارد (شکل 6):

شکل 6. تغییرات مختصات از محورهای ثابت α و β، متصل به استاتور موتور، به محورهای دوار. دو q، به روتور گره خورده است

یعنی به جای "چرخش" تنظیمات تنظیم کننده ها (همانطور که در ساختار قبلی بود)، ورودی ها و خروجی های آنها می چرخند و خود تنظیم کننده ها در حالت استاتیک کار می کنند: جریان ها د, qو خروجی کنترلرها در حالت پایدار ثابت است. محورها دو qهمراه با روتور بچرخید (زیرا توسط سیگنالی از سنسور موقعیت روتور چرخانده می شوند)، در حالی که تنظیم کننده محور qدقیقاً جریانی را تنظیم می کند که در ابتدای مقاله آن را "عمود بر میدان روتور" نامیدم، یعنی یک جریان مولد گشتاور است و جریان دبا "مگنت روتور" تراز شده است، بنابراین ما به آن نیازی نداریم و آن را برابر با صفر قرار می دهیم. این ساختار عاری از ضرر ساختار اول است - تنظیم کننده های فعلی حتی نمی دانند که چیزی در جایی می چرخد. آنها در حالت استاتیک کار می کنند: آنها هر یک از جریان های خود را تنظیم کرده اند، به ولتاژ مشخص شده رسیده اند - و همین است، مانند روتور، از آنها فرار نکنید، آنها حتی در مورد آن نمی دانند: تمام کار چرخش توسط بلوک های تبدیل مختصات انجام می شود.

برای توضیح "روی انگشتان" می توانید قیاسی ارائه دهید.

برای ترافیک خطی، بگذارید مثلاً یک اتوبوس شهری باشد. دائماً شتاب می گیرد، سپس کند می شود، سپس به عقب می رود و به طور کلی همانطور که می خواهد رفتار می کند: روتور موتور است. همچنین، شما در یک خودروی نزدیک هستید و به صورت موازی رانندگی می کنید: وظیفه شما این است که دقیقاً در وسط اتوبوس باشید: "90 درجه را نگه دارید"، شما تنظیم کننده فعلی هستید. اگر اتوبوس دائماً سرعت خود را تغییر می دهد، باید سرعت را نیز بر اساس آن تغییر دهید و همیشه آن را کنترل کنید. اما اکنون ما "کنترل برداری" را برای شما انجام خواهیم داد. شما از داخل اتوبوس بالا رفتید، وسط ایستادید و به نرده دستی چسبیدید - مانند اتوبوس، فرار نکنید، به راحتی می توانید با وظیفه "در وسط اتوبوس بودن" کنار بیایید. به طور مشابه، تنظیم‌کننده‌های جریان، که در محورهای چرخشی d, q روتور «غلت می‌کنند»، زندگی آسانی دارند.

ساختار فوق در واقع کار می کند و در درایوهای الکتریکی مدرن استفاده می شود. فقط فاقد مجموعه ای از "بهبودهای" کوچک است که بدون آنها دیگر انجام آن مرسوم نیست، مانند جبران اتصالات متقابل، محدودیت های مختلف، تضعیف میدان و غیره. اما این اصل اساسی است.

و اگر نیاز به تنظیم نه گشتاور درایو، بلکه سرعت (سرعت زاویه ای صحیح، فرکانس چرخش) دارید؟ خوب پس ما یک کنترلر PI دیگر را نصب می کنیم - یک کنترل کننده سرعت (RS). ما یک فرمان سرعت را به ورودی اعمال می کنیم و در خروجی یک فرمان گشتاور داریم. از آنجایی که جریان محور qمتناسب با گشتاور است، سپس برای ساده کردن آن، خروجی کنترل کننده سرعت می تواند مستقیماً به ورودی کنترل کننده جریان محور تغذیه شود. q، مانند این (شکل 7):

شکل 7. کنترل کننده سرعت برای کنترل برداری
در اینجا SI، تنظیم کننده شدت، خروجی خود را به آرامی تغییر می دهد به طوری که موتور با سرعت مورد نظر شتاب می گیرد و تا زمانی که سرعت تنظیم نشود با جریان کامل حرکت نمی کند. سرعت فعلی ω از دسته سنسور موقعیت روتور گرفته شده است ω این مشتق از موقعیت زاویه ای است ϴ . خوب، یا می توانید به سادگی زمان بین پالس های سنسور را اندازه گیری کنید ...

چگونه برای موتور سه فاز همین کار را انجام دهیم؟ خوب، در واقع، چیز خاصی نیست، ما یک بلوک دیگر اضافه می کنیم و ماژول PWM را تغییر می دهیم (شکل 8).

شکل 8. ساختار کنترل حسگر برداری برای ماشین سنکرون سه فاز

جریان های سه فاز، درست مانند جریان های دو فاز، یک هدف را دنبال می کنند - ایجاد بردار جریان استاتور است، در جهت مورد نظر هدایت شده و دارای دامنه مورد نظر است. بنابراین، جریان های سه فاز را می توان به سادگی به دو فاز تبدیل کرد و سپس همان سیستم کنترلی را که قبلاً برای یک ماشین دو فاز مونتاژ شده است، رها کرد. در ادبیات انگلیسی زبان، چنین "محاسبه مجدد" را تبدیل کلارک می نامند (ادیت کلارک او است)، در کشور ما به آن تبدیل فاز می گویند. بر این اساس در ساختار شکل 8 این عملیات توسط یک بلوک تبدیل فاز انجام می شود. آنها دوباره با استفاده از درس هندسه مدرسه انجام می شوند (شکل 9):

شکل 9. تبدیل فاز - از سه فاز به دو. برای راحتی، فرض می کنیم که دامنه بردار I s برابر با دامنه جریان در فاز است.

فکر می کنم نیازی به نظر نیست. چند کلمه در مورد جریان فاز C. نیازی به نصب سنسور جریان در آنجا نیست، زیرا سه فاز موتور در یک ستاره به هم متصل هستند و طبق قانون کیرشهوف، هر چیزی که از دو فاز عبور می کند باید از آن خارج شود. سوم (مگر اینکه، البته، سوراخی در عایق موتور شما وجود داشته باشد، و نیمی از آن در جایی روی محفظه نشتی نداشته باشد)، بنابراین جریان فاز C به عنوان مجموع اسکالر جریان های فاز A و B با یک محاسبه می شود. علامت منفی اگرچه گاهی اوقات یک سنسور سوم برای کاهش خطای اندازه گیری نصب می شود.

بازسازی کامل ماژول PWM نیز مورد نیاز است. معمولاً برای موتورهای سه فاز از اینورتر شش سوئیچ سه فاز استفاده می شود. در شکل، فرمان ولتاژ همچنان در محورهای دو فاز می رسد. در داخل ماژول PWM، با استفاده از تبدیل فاز معکوس، می توان آن را به ولتاژهای فازهای A، B، C تبدیل کرد که باید در این لحظه به موتور اعمال شود. اما بعد چه باید کرد... گزینه ها ممکن است. یک روش ساده این است که یک چرخه کاری برای هر قفسه اینورتر متناسب با ولتاژ مورد نظر به اضافه 0.5 تنظیم کنید. این PWM موج سینوسی نامیده می شود. این دقیقاً همان روشی است که نویسنده در habrahabr.ru/post/128407 از آن استفاده کرده است. همه چیز در این روش خوب است، به جز اینکه این روش از اینورتر ولتاژ کم استفاده می کند - یعنی. حداکثر ولتاژی که به دست می آید کمتر از آن چیزی است که در صورت استفاده از روش پیشرفته PWM می توانید بدست آورید.

بیایید حساب کنیم. به شما اجازه می دهد یک مبدل فرکانس کلاسیک داشته باشید که توسط شبکه سه فاز صنعتی 380 ولت 50 هرتز تغذیه می شود. در اینجا 380 ولت ولتاژ موثر خطی (بین فازها) است. از آنجایی که مبدل حاوی یکسو کننده است، این ولتاژ را یکسو می کند و باس DC ولتاژی برابر با ولتاژ خطی دامنه خواهد داشت، یعنی. 380∙√2=540V ولتاژ DC (حداقل بدون بار). اگر یک الگوریتم محاسبه سینوسی را در ماژول PWM اعمال کنیم، دامنه حداکثر ولتاژ فازی که می‌توانیم به دست آوریم برابر با نصف ولتاژ گذرگاه DC خواهد بود، یعنی. 540/2 = 270 ولت. بیایید به فاز موثر تبدیل کنیم: 270/√2=191V. و اکنون به خطی فعلی: 191∙√3=330V. اکنون می توانیم مقایسه کنیم: 380 ولت وارد شد، اما 330 ولت بیرون آمد ... و شما نمی توانید کار دیگری با این نوع PWM انجام دهید. برای رفع این مشکل به اصطلاح از نوع برداری PWM استفاده می شود. خروجی آن دوباره 380 ولت خواهد بود (در حالت ایده آل، بدون در نظر گرفتن تمام افت ولتاژ). روش PWM برداری ربطی به کنترل برداری موتور الکتریکی ندارد. درست است که منطق آن دوباره از هندسه کوچک مدرسه استفاده می کند، به همین دلیل است که به آن بردار می گویند. با این حال، کار او را نمی توان روی انگشتان توضیح داد، بنابراین خواننده را به کتاب (در انتهای مقاله) یا ویکی پدیا ارجاع می دهم. من همچنین می توانم تصویری به شما ارائه دهم که کمی به تفاوت عملکرد PWM سینوسی و برداری اشاره می کند (شکل 10):

شکل 10. تغییر در پتانسیل فاز برای PWM اسکالر و برداری

انواع سنسورهای موقعیت

به هر حال، از چه سنسورهای موقعیت برای کنترل برداری استفاده می شود؟ چهار نوع سنسور وجود دارد که بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. اینها یک رمزگذار افزایشی چهارگانه، یک رمزگذار مبتنی بر عنصر هال، یک رمزگذار موقعیت مطلق و یک رمزگذار سنکرون هستند.
رمزگذار مربعیموقعیت مطلق روتور را نشان نمی دهد - با تکانه های خود فقط به شما امکان می دهد تعیین کنید چقدر مسافت را طی کرده اید ، اما نه از کجا و از کجا (چگونه ابتدا و انتهای آن به محل آهنربای روتور مرتبط است). بنابراین، برای کنترل برداری یک ماشین سنکرون مناسب نیست. علامت مرجع (شاخص) آن وضعیت را کمی ذخیره می کند - در هر چرخش مکانیکی فقط یک چرخش وجود دارد، اگر به آن برسید، موقعیت مطلق مشخص می شود، و از آن می توانید با استفاده از یک سیگنال مربعی چقدر سفر کرده اید. اما چگونه می توان در ابتدای کار به این علامت رسید؟ به طور کلی، این همیشه راحت نیست.
سنسور المان هال- این یک سنسور خشن است. این تنها چند پالس در هر دور تولید می کند (بسته به تعداد عناصر هال؛ برای موتورهای سه فاز معمولاً سه پالس وجود دارد، یعنی شش پالس)، به شما امکان می دهد موقعیت را با قدر مطلق، اما با دقت کم، بدانید. دقت معمولاً برای حفظ زاویه بردار جریان کافی است تا موتور حداقل به سمت جلو حرکت کند و نه به عقب، اما گشتاور و جریان ها ضربان دارند. اگر موتور شتاب گرفته است، می توانید به مرور زمان سیگنال سنسور را به صورت برنامه ریزی شده شروع کنید - یعنی. یک زاویه خطی متغیر از یک زاویه گسسته خشن بسازید. این بر اساس این فرض انجام می شود که موتور تقریباً با سرعت ثابت می چرخد، چیزی شبیه به این (شکل 11):

شکل 11. عملکرد سنسور موقعیت عنصر هال برای یک ماشین سه فاز و برون یابی سیگنال آن

اغلب ترکیبی از رمزگذار و حسگر جلوه هال برای سروو موتورها استفاده می شود. در این مورد، می توانید یک ماژول نرم افزاری واحد برای پردازش آنها بسازید و معایب هر دو را از بین ببرید: برون یابی زاویه ارائه شده در بالا را انجام دهید، اما نه بر اساس زمان، بلکه با علامت های رمزگذار. آن ها یک رمزگذار در داخل حسگر هال از لبه به لبه عمل می کند و هر لبه هال به وضوح موقعیت زاویه ای مطلق فعلی را مقدار دهی اولیه می کند. در این حالت، تنها اولین حرکت درایو غیربهینه خواهد بود (نه در 90 درجه)، تا زمانی که به جلوی سنسور هال برسد. یک مشکل جداگانه در این مورد، پردازش غیر ایده آل بودن هر دو حسگر است - به ندرت کسی عناصر هال را به طور متقارن و یکنواخت ترتیب می دهد ...

در برنامه های کاربردی حتی گران تر آنها استفاده می کنند رمزگذار مطلقبا یک رابط دیجیتال (رمزگذار مطلق)، که بلافاصله موقعیت مطلق را فراهم می کند و به شما امکان می دهد از مشکلات توضیح داده شده در بالا جلوگیری کنید.

اگر موتور الکتریکی بسیار داغ است و همچنین زمانی که به دقت اندازه گیری زاویه نیاز است، از "آنالوگ" استفاده کنید. سنسور سنکرون(رزولور، ترانسفورماتور دوار). این یک ماشین الکتریکی کوچک است که به عنوان سنسور استفاده می شود. تصور کنید که در ماشین سنکرون که در شکل 1 در نظر گرفتیم، به جای آهنربا، سیم پیچ دیگری وجود دارد که سیگنال فرکانس بالا را به آن اعمال می کنیم. اگر روتور افقی باشد، سیگنال فقط به سیم پیچ استاتور فاز القا می شود α ، اگر عمودی - سپس فقط در β ، اگر آن را 180 بچرخانید، فاز سیگنال تغییر می کند و در موقعیت های میانی طبق قانون سینوس / کسینوس هم اینجا و هم آنجا القا می شود. بر این اساس، با اندازه گیری دامنه سیگنال در دو سیم پیچ، می توان موقعیت را از نسبت این دامنه و تغییر فاز نیز تعیین کرد. با نصب چنین دستگاهی به عنوان سنسور روی اصلی، می توانید موقعیت روتور را پیدا کنید.
سنسورهای موقعیت عجیب و غریب بسیار بیشتری وجود دارد، به خصوص برای کاربردهای با دقت فوق العاده بالا مانند ساخت تراشه الکترونیکی. در آنجا، از هر پدیده فیزیکی فقط برای یافتن موقعیت تا حد امکان دقیق استفاده می شود. ما آنها را در نظر نخواهیم گرفت.

ساده سازی کنترل برداری

همانطور که می دانید، کنترل برداری بسیار سخت است - به آن سنسورهای موقعیت، سنسورهای جریان، کنترل برداری PWM و بدون میکروکنترلر برای محاسبه همه این ریاضیات بدهید. بنابراین، برای کاربردهای ساده ساده شده است. برای شروع، می توانید با ایجاد کنترل برداری بدون حسگر، سنسور موقعیت را حذف کنید. برای انجام این کار، از جادوی ریاضی کمی بیشتر، واقع در مستطیل زرد استفاده کنید (شکل 12):

شکل 12. ساختار کنترل بردار بدون حسگر

ناظر بلوکی است که اطلاعات مربوط به ولتاژ اعمال شده به موتور (مثلاً از یک کار در یک ماژول PWM) و در مورد جریان های موجود در موتور را از حسگرها دریافت می کند. در داخل ناظر مدلی از یک موتور الکتریکی وجود دارد که به طور تقریبی سعی می کند جریان های خود را در استاتور با جریان های اندازه گیری شده از یک موتور واقعی تنظیم کند. اگر موفق شد، می توانیم فرض کنیم که موقعیت روتور شبیه سازی شده در داخل شفت نیز با موقعیت واقعی مطابقت دارد و می تواند برای نیازهای کنترل برداری استفاده شود. خوب، البته این کاملاً ساده شده است. انواع بی شماری از این ناظران وجود دارد. هر دانشجوی فارغ التحصیل متخصص در درایوهای الکتریکی سعی می کند خود را اختراع کند که به نوعی بهتر از دیگران است. اصل اساسی نظارت بر EMF موتور الکتریکی است. بنابراین، اغلب، یک سیستم کنترل بدون سنسور فقط با سرعت چرخش نسبتاً بالا عمل می کند، جایی که EMF بزرگ است. همچنین در مقایسه با وجود سنسور دارای معایبی است: شما باید پارامترهای موتور را بدانید، سرعت درایو محدود است (اگر سرعت چرخش به شدت تغییر کند، ناظر ممکن است وقت نداشته باشد آن را ردیابی کند و "دروغ بگوید" برای مدتی یا حتی "از هم پاشیدگی" کامل) ، راه اندازی یک ناظر یک روش کامل است؛ برای عملکرد باکیفیت آن، باید دقیقاً ولتاژ موتور را بدانید، جریان های آن را به دقت اندازه گیری کنید و غیره.

گزینه ساده سازی دیگری نیز وجود دارد. به عنوان مثال، می توانید به اصطلاح "سوئیچینگ خودکار" را انجام دهید. در این مورد، برای یک موتور سه فاز، آنها روش پیچیده PWM را رها می کنند، ساختار برداری پیچیده را رها می کنند و شروع به روشن کردن فازهای موتور با استفاده از سنسور موقعیت روی عناصر هال می کنند، حتی گاهی اوقات بدون هیچ گونه محدودیت جریان. جریان در فازها سینوسی نیست، بلکه ذوزنقه ای، مستطیلی و یا حتی بیشتر تحریف شده است. اما آنها سعی می کنند با انتخاب لحظه روشن شدن فازها مطمئن شوند که بردار جریان متوسط ​​هنوز در 90 درجه نسبت به "آهنربای روتور" است. در عین حال، با روشن کردن فاز تحت ولتاژ، معلوم نیست چه زمانی جریان در فاز موتور افزایش می یابد. در سرعت چرخش پایین، این کار را سریعتر انجام می دهد، در سرعت بالا، جایی که EMF دستگاه تداخل دارد، این کار را کندتر انجام می دهد؛ نرخ افزایش جریان نیز به اندوکتانس موتور و غیره بستگی دارد. بنابراین، حتی اگر فازها را دقیقاً در زمان مناسب در نظر بگیرید، به هیچ وجه یک واقعیت نیست که بردار جریان متوسط ​​در مکان مناسب و با فاز مناسب باشد - می تواند نسبت به 90 درجه بهینه پیشروی یا تاخیر داشته باشد. بنابراین، در چنین سیستم هایی، یک تنظیم "پیش سوئیچینگ" معرفی می شود - اساساً فقط زمان، چه مقدار زودتر ولتاژ باید به فاز موتور اعمال شود، به طوری که در پایان فاز بردار جریان به 90 درجه نزدیکتر شود. به زبان ساده، به این «تنظیم زمان‌بندی» می‌گویند. از آنجایی که جریان یک موتور الکتریکی در حین کموتاسیون خودکار سینوسی نیست، پس اگر ماشین سینوسی که در بالا توضیح داده شد را بگیرید و آن را به این روش کنترل کنید، گشتاور روی شفت تپش خواهد داشت. بنابراین، در موتورهایی که برای کموتاسیون خودکار طراحی شده اند، هندسه مغناطیسی روتور و استاتور اغلب به روش خاصی تغییر می کند تا آنها را برای این نوع کنترل مناسب تر کند: EMF چنین ماشین هایی به شکل ذوزنقه ای ساخته می شود، به همین دلیل آنها بهتر کار می کنند. حالت کموتاسیون خودکار ماشین های سنکرون که برای کموتاسیون خودکار بهینه شده اند موتورهای جریان مستقیم بدون جاروبک (BLDC) یا به انگلیسی BLDC (موتور جریان مستقیم بدون جاروبک) نامیده می شوند. حالت کموتاسیون خودکار اغلب حالت سوپاپ نیز نامیده می شود و موتورهایی که با آن کار می کنند از نوع سوپاپ هستند. اما اینها همه فقط نام های متفاوتی هستند که به هیچ وجه بر ماهیت تأثیر نمی گذارند (اما اپراتورهای باتجربه درایو برقی اغلب در موارد مربوط به این نام ها از CPGS رنج می برند). یک ویدیوی خوب وجود دارد که اصل عملکرد چنین ماشین هایی را نشان می دهد. این یک موتور معکوس را نشان می دهد که روتور در خارج و استاتور در داخل قرار دارد:

اما دوره ای از مقالات در مورد چنین موتورها و سخت افزار سیستم کنترل وجود دارد.

شما می توانید به سمت ساده سازی حتی بیشتر بروید. سیم پیچ ها را طوری تغییر دهید که یک فاز همیشه "آزاد" باشد و هیچ PWM روی آن اعمال نشود. سپس می توان EMF (ولتاژ القایی در سیم پیچ فاز) را اندازه گیری کرد و زمانی که این ولتاژ از صفر عبور کرد، از آن به عنوان سیگنال سنسور موقعیت روتور استفاده کنید، زیرا فاز این ولتاژ القایی دقیقاً به موقعیت ولتاژ بستگی دارد. روتور این منجر به جابجایی خودکار بدون حسگر می شود که به طور گسترده در درایوهای ساده مختلف، به عنوان مثال، در "رگولاتورها" برای پروانه های مدل هواپیما استفاده می شود. باید به خاطر داشت که EMF دستگاه فقط با سرعت چرخش نسبتاً بالایی ظاهر می شود، بنابراین، برای شروع، چنین سیستم های کنترلی به سادگی فازها را به آرامی تغییر می دهند، به این امید که روتور موتور از جریان عرضه شده پیروی کند. به محض ظاهر شدن EMF، حالت کموتاسیون خودکار فعال می شود. بنابراین، یک سیستم بدون سنسور (بسیار ساده و اغلب پیچیده) برای کارهایی که موتور باید قادر به ایجاد گشتاور در سرعت های نزدیک به صفر باشد، مناسب نیست، به عنوان مثال، برای کشش یک ماشین (یا مدل آن) ، یک سروو درایو فلان مکانیسم و ​​غیره P. اما سیستم بدون سنسور با موفقیت برای پمپ ها و فن ها مناسب است، جایی که از آن استفاده می شود.

اما گاهی اوقات ساده سازی های بزرگ تری انجام می دهند. با تعویض فازها با سوئیچ مکانیکی مخصوص می توانید میکروکنترلر، کلیدها، سنسورهای موقعیت و موارد دیگر را کاملاً رها کنید (شکل 13):

شکل 13. کلید مکانیکی برای سوئیچینگ سیم پیچ

هنگام چرخش، خود روتور قسمت های سیم پیچ خود را تغییر می دهد و ولتاژ اعمال شده به آنها را تغییر می دهد، در حالی که جریان متناوب در روتور جریان می یابد. کموتاتور به گونه ای قرار می گیرد که شار مغناطیسی روتور و استاتور دوباره نزدیک به 90 درجه باشد تا حداکثر گشتاور حاصل شود. چنین موتورهایی ساده لوحانه موتورهای DC نامیده می شوند، اما کاملاً بی ارزش: در داخل، بعد از کلکتور، جریان هنوز متناوب است!

نتیجه

همه ماشین های الکتریکی به روشی مشابه کار می کنند. در تئوری درایوهای الکتریکی، حتی مفهوم "ماشین الکتریکی تعمیم یافته" وجود دارد که کار دیگران به آن کاهش می یابد. توضیحات "دستی" نشان داده شده در مقاله به هیچ وجه نمی تواند به عنوان راهنمای عملی برای نوشتن کد میکروکنترلر باشد. این مقاله به خوبی در مورد یک درصد از اطلاعاتی که برای اجرای کنترل برداری واقعی لازم است بحث می کند. برای انجام کاری در عمل، ابتدا باید TAU را بدانید، حداقل در سطح درک نحوه عملکرد کنترلر PI. سپس شما هنوز باید توصیف ریاضی ماشین سنکرون و سنتز کنترل برداری را مطالعه کنید. همچنین بردار PWM را مطالعه کنید، بدانید که جفت قطب چیست، با انواع سیم پیچی ماشین و ... آشنا شوید. این را می توان در آخرین کتاب «سیستم های کنترل درایو Anuchin A.S. Electric. MPEI، 2015، و همچنین در "Kalachev Yu. N. تنظیم بردار (یادداشت های تمرینی)". باید به خواننده نسبت به فرو رفتن در فرمول های کتاب های درسی "قدیمی" در درایوها هشدار داد، جایی که تاکید اصلی بر در نظر گرفتن ویژگی های موتورهای الکتریکی است که به طور مستقیم از یک شبکه صنعتی سه فاز تغذیه می شوند، بدون هیچ گونه میکروکنترلر و سنسور موقعیت. رفتار موتورها در این مورد با فرمول‌ها و وابستگی‌های پیچیده توصیف می‌شود، اما برای مشکل کنترل بردار تقریباً هیچ فایده‌ای ندارند (اگر فقط برای توسعه خود مطالعه شوند). شما باید به ویژه در مورد توصیه های کتاب های درسی قدیمی مراقب باشید، جایی که، به عنوان مثال، گفته می شود که یک ماشین سنکرون نباید با حداکثر گشتاور خود کار کند، زیرا عملیات در آنجا ناپایدار است و تهدید به واژگونی می کند - همه اینها "توصیه بد" است. ” برای کنترل برداری.

در مورد اینکه کدام میکروکنترلر را می توانید کنترل برداری کامل انجام دهید ، به عنوان مثال ، در مقاله ما میکروکنترلر داخلی کنترل موتور داخلی K1921VK01T JSC NIIET و نحوه اشکال زدایی آن را در مقاله روشهای اشکال زدایی نرم افزار میکروکنترلر در درایو الکتریکی بخوانید. همچنین از وب سایت ما دیدن کنید: به طور خاص، دو ویدیوی خسته کننده در آنجا پست شده است که در عمل نحوه راه اندازی یک کنترل کننده جریان PI و همچنین نحوه عملکرد ساختار کنترل بدون سنسور با جریان بسته و برداری را نشان می دهد. علاوه بر این، می توانید یک کیت اشکال زدایی با ساختار کنترل بردار حسگر آماده روی یک میکروکنترلر خانگی خریداری کنید.

ادامه مقاله که در مورد موتورهای آسنکرون صحبت می کند.

P.S.
من از متخصصان به دلیل عدم استفاده صحیح از برخی اصطلاحات، به ویژه اصطلاحات "جریان"، "پیوند شار"، "میدان مغناطیسی" و دیگران عذرخواهی می کنم - سادگی نیاز به فداکاری دارد ...

برچسب ها: اضافه کردن برچسب

کنترل برداری

کنترل برداریروشی برای کنترل موتورهای سنکرون و ناهمزمان است که نه تنها جریان هارمونیک (ولتاژ) فازها را تولید می کند (کنترل اسکالر)، بلکه کنترل شار مغناطیسی روتور را نیز فراهم می کند. اولین پیاده سازی اصل کنترل برداری و الگوریتم های با دقت بالا نیاز به استفاده از حسگرهای موقعیت (سرعت) روتور دارد.

به طور کلی، تحت " کنترل برداری" به تعامل دستگاه کنترل با به اصطلاح "بردار فضایی" اشاره دارد که با فرکانس میدان موتور می چرخد.

دستگاه ریاضی کنترل برداری

بنیاد ویکی مدیا 2010.

ببینید "کنترل برداری" در فرهنگ های دیگر چیست:

کاغذ ردیابی با او. Vektorregelung. روشی برای کنترل سرعت چرخش و/یا گشتاور یک موتور الکتریکی با استفاده از تأثیر مبدل محرک الکتریکی بر اجزای برداری جریان استاتور موتور الکتریکی. در ادبیات روسی زبان در ... ویکی پدیا

راه حل مسئله کنترل بهینه تئوری ریاضی، که در آن عمل کنترلی u=u(t) به شکل تابعی از زمان تشکیل می شود (بنابراین فرض می شود که در طول فرآیند هیچ اطلاعاتی جز آنچه در همان زمان داده شده است وجود ندارد. شروع وارد سیستم می شود... ... دایره المعارف ریاضی

- (درایو کنترل فرکانس، PNC، درایو فرکانس متغیر، VFD) سیستم برای کنترل سرعت روتور موتور الکتریکی ناهمزمان (یا سنکرون). از خود موتور الکتریکی و مبدل فرکانس ... ویکی پدیا

این اصطلاح معانی دیگری دارد، به CNC (معانی) مراجعه کنید. این صفحه برای ادغام با CNC پیشنهاد شده است. توضیح دلایل و بحث در صفحه ویکی پدیا: به سوی اتحاد/25 ف... ویکی پدیا

استاتور و روتور یک ماشین ناهمزمان 0.75 کیلو وات، 1420 دور در دقیقه، 50 هرتز، 230-400 ولت، 3.4 2.0 A ماشین ناهمزمان یک ماشین الکتریکی جریان متناوب است ... ویکی پدیا

- (DPR) بخشی از یک موتور الکتریکی. در موتورهای الکتریکی کموتاتور، سنسور موقعیت روتور یک واحد کموتاتور برس است که یک کلید جریان نیز می باشد. در الکتروموتورهای براشلس سنسور موقعیت روتور می تواند انواع مختلف ... ویکی پدیا

DS3 DS3 010 اطلاعات پایه کشور سازنده ... ویکی پدیا

ماشین ناهمزمان یک ماشین الکتریکی جریان متناوب است که سرعت روتور آن برابر (کمتر از) سرعت چرخش میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط جریان سیم پیچ استاتور نیست. ماشین های ناهمزمان رایج ترین برق... ... ویکی پدیا

این اصطلاح معانی دیگری دارد، به مبدل فرکانس مراجعه کنید. این مقاله باید ویکی شده باشد. لطفا فرمتش رو طبق قوانین قالب بندی مقالات ... ویکی پدیا

DS3 ... ویکی پدیا

کتاب ها

• کنترل برداری صرفه جویی در انرژی موتورهای الکتریکی ناهمزمان: بررسی وضعیت و نتایج جدید: مونوگراف، Borisevich A.V.. مونوگراف به روش هایی برای افزایش بهره وری انرژی کنترل برداری موتورهای الکتریکی ناهمزمان اختصاص داده شده است. مدل الکتروموتور ناهمزمان در نظر گرفته شده و اصل بردار...