glavna ideja vektorska kontrola je kontrolirati ne samo veličinu i frekvenciju napona napajanja, već i fazu. Drugim riječima, veličina i kut prostornog vektora su kontrolirani. Vektorska kontrola ima veću izvedbu u usporedbi s. Vektorsko upravljanje uklanja gotovo sve nedostatke skalarnog upravljanja.

Prednosti vektorske kontrole:
• visoka točnost kontrole brzine;
• glatko pokretanje i glatka rotacija motora u cijelom frekvencijskom rasponu;
• brza reakcija na promjene opterećenja: kada se opterećenje promijeni, praktički nema promjene brzine;
• povećani raspon upravljanja i točnost upravljanja;
• gubici zbog zagrijavanja i magnetiziranja su smanjeni i .

Nedostaci vektorske kontrole uključuju:
• potreba za postavljanjem parametara;
• velike fluktuacije brzine pri konstantnom opterećenju;
• visoka računalna složenost.

Opći funkcionalni dijagram vektorskog upravljanja

Opći blok dijagram visokoučinkovitog AC sustava upravljanja brzinom prikazan je na gornjoj slici. Osnova kruga je spoj magnetskog toka i krugovi za kontrolu momenta zajedno s jedinicom za procjenu, koja se može implementirati na različite načine. U ovom slučaju, vanjska petlja za regulaciju brzine je u velikoj mjeri objedinjena i generira upravljačke signale za regulatore momenta M * i spoj magnetskog toka Ψ * (preko jedinice za regulaciju protoka). Brzina motora može se mjeriti senzorom (brzina/položaj) ili dobiti putem estimatora koji omogućuje implementaciju.

Podjela metoda suzbijanja vektora

Od sedamdesetih godina dvadesetog stoljeća predložene su mnoge metode kontrole momenta. Nisu svi naširoko korišteni u industriji. Stoga se u ovom članku govori samo o najpopularnijim metodama upravljanja. Razmotrene metode upravljanja zakretnim momentom prikazane su za sustave upravljanja sa sinusoidnom povratnom EMF.

Postojeće metode upravljanja zakretnim momentom mogu se klasificirati na različite načine.

Najčešće se metode kontrole momenta dijele u sljedeće skupine:
• linearni (PI, PID) regulatori;
• nelinearni (histerezni) regulatori.

Metoda kontrole			Raspon kontrole brzine	Pogreška brzine 3,%	Vrijeme porasta momenta, ms	Početni moment	Cijena	Opis
			1:10 1	5-10	Nije dostupno	Kratak	Vrlo nisko	Ima spor odziv na promjene opterećenja i mali raspon kontrole brzine, ali je jednostavan za implementaciju.
			>1:200 2	0		visoko	visoko	Omogućuje glatku i brzu kontrolu glavnih parametara motora - momenta i brzine. Da bi ova metoda funkcionirala, potrebne su informacije o položaju rotora.
			>1:200 2	0		visoko	visoko	Hibridna metoda dizajnirana da kombinira prednosti...
			>1:200 2	0		visoko	visoko	Ima visoku dinamiku i jednostavan krug, ali karakteristična značajka njegovog rada je velika struja i valovitost momenta.
			>1:200 2	0		visoko	visoko	Ima nižu frekvenciju uključivanja pretvarača od ostalih metoda i dizajniran je za smanjenje gubitaka pri upravljanju elektromotorima velike snage.

Bilješka:

1. Nema povratnih informacija.
2. S povratnom informacijom.
3. U stabilnom stanju

Od vektorskog upravljanja najviše se koriste (FOC - field oriented control) i (DTC - direct torque control).

Linearni regulatori momenta

Linearni regulatori zakretnog momenta rade zajedno s modulacijom širine impulsa (PWM) napona. Regulatori određuju potrebni vektor napona statora u prosjeku tijekom razdoblja uzorkovanja. Vektor napona se konačno sintetizira metodom PWM; u većini slučajeva koristi se prostorna vektorska modulacija (SVM). Za razliku od nelinearnih krugova upravljanja zakretnim momentom, gdje se signali obrađuju pomoću trenutnih vrijednosti, u krugovima za linearno upravljanje zakretnim momentom, linearni regulator (PI) radi s prosječnim vrijednostima tijekom razdoblja uzorkovanja. Stoga se frekvencija uzorkovanja može smanjiti s 40 kHz u krugovima nelinearnog regulatora momenta na 2-5 kHz u krugovima linearnog regulatora momenta.

Kontrola orijentirana na polje

Kontrola orijentirana na polje(POA, engleski field oriented control, FOC) je metoda upravljanja koja upravlja izmjeničnom strujom bez četkica (,) poput stroja za istosmjernu struju s neovisnom pobudom, što znači da se polje i može kontrolirati odvojeno.

Upravljanje orijentirano na polje, koje su 1970. godine predložili Blaschke i Hasse, temelji se na analogiji s mehaničkim prebacivanjem upravljanja. U ovom motoru, namoti polja i armature su odvojeni, spojem toka upravlja struja polja, a zakretni moment se neovisno kontrolira regulacijom struje. Dakle, veza toka i struje zakretnog momenta su električno i magnetski odvojene.

Opći funkcionalni dijagram kontrole usmjerene na polje bez senzora 1

S druge strane, izmjenični motori bez četkica ( , ) najčešće imaju trofazni namot statora, a vektor struje statora I s služi za upravljanje i tokom i momentom. Dakle, struja polja i struja armature spojeno u vektor struje statora i ne može se zasebno kontrolirati. Isključivanje se može postići matematički – razlaganjem trenutne vrijednosti vektora struje statora I s na dvije komponente: uzdužnu komponentu struje statora I sd (stvara polje) i poprečnu komponentu struje statora I sq (stvara moment). u rotirajućem dq koordinatnom sustavu orijentiranom duž polja rotora (R -FOC – rotor flux-oriented control) - slika gore. Dakle, upravljanje AC motorom bez četkica postaje identično upravljanju i može se postići korištenjem PWM pretvarača s linearnim PI regulatorom i prostorno vektorskom modulacijom napona.

U regulaciji orijentiranoj na polje, momentom i poljem upravlja se neizravno upravljanjem komponentama vektora struje statora.

Trenutne vrijednosti struja statora pretvaraju se u dq rotirajući koordinatni sustav pomoću Parkove transformacije αβ/dq, koja također zahtijeva informacije o položaju rotora. Polje se kontrolira uzdužnom komponentom struje I sd, dok se momentom upravlja poprečnom komponentom struje I sq. Inverzna Parkova transformacija (dq/αβ), matematički modul transformacije koordinata, omogućuje izračunavanje referentnih komponenti vektora napona V sα * i V sβ *.

Za određivanje položaja rotora koristi se ili senzor položaja rotora ugrađen u elektromotor ili algoritam upravljanja bez senzora implementiran u sustav upravljanja, koji izračunava informacije o položaju rotora u realnom vremenu na temelju podataka dostupnih u sustavu upravljanja.

Blok dijagram izravne regulacije momenta s prostorno-vektorskom modulacijom s podešavanjem veze momenta i fluksa s povratnom spregom koja djeluje u pravokutnom koordinatnom sustavu orijentiranom duž polja statora prikazan je na donjoj slici. Izlazi PI regulatora zakretnog momenta i fluks-veze tumače se kao referentne komponente napona statora V ψ * i V M * u dq koordinatnom sustavu orijentiranom duž polja statora (engleski stator flux-oriented control, S-FOC). Ove se naredbe (konstantni naponi) zatim pretvaraju u fiksni koordinatni sustav αβ, nakon čega se kontrolne vrijednosti V sα * i V sβ * šalju modulu prostorne vektorske modulacije.

Funkcionalni dijagram izravne regulacije momenta s prostornom vektorskom modulacijom napona

Imajte na umu da se ovaj krug može smatrati pojednostavljenim statorskim poljem orijentiranim upravljanjem (S-FOC) bez strujne regulacijske petlje ili klasičnim krugom (PUM-TV, engleski switching table DTC, ST DTC) u kojem je sklopna tablica zamijenjen modulatorom (SVM), a regulator momenta i fluksa histereze zamijenjen je linearnim PI regulatorima.

U izravnom upravljanju zakretnim momentom s prostornom vektorskom modulacijom (DTC-FCM), okretni moment i veza fluksa izravno se kontroliraju u zatvorenoj petlji, tako da je neophodna točna procjena fluksa i zakretnog momenta motora. Za razliku od klasičnog algoritma histereze, on radi na konstantnoj frekvenciji prebacivanja. Ovo značajno poboljšava performanse kontrolnog sustava: smanjuje zakretni moment i pulsacije protoka, omogućujući vam pouzdano pokretanje motora i rad pri niskim brzinama. Ali istovremeno se smanjuju dinamičke karakteristike pogona.

Nelinearni regulatori momenta

Prikazana skupina regulatora momenta odstupa od ideje transformacije koordinata i upravljanja po analogiji s brušenim istosmjernim motorom, koji je osnova za. Nelinearni regulatori predlažu zamjenu odvojenog upravljanja kontinuiranim (histereznim) upravljanjem, što odgovara ideologiji rada (on-off) poluvodičkih uređaja pretvarača.

U usporedbi s upravljanjem orijentiranim na polje, sheme izravne kontrole momenta imaju sljedeće karakteristike:

Prednosti:
• jednostavna upravljačka shema;
• nema strujnih krugova niti upravljanja istosmjernom strujom;
• nije potrebna transformacija koordinata;
• nema zasebne modulacije napona;
• nije potreban senzor položaja;
• dobra dinamika.

Mane:
• potrebna je točna procjena vektora veze i momenta magnetskog toka statora;
• jake pulzacije zakretnog momenta i struje zbog nelinearnog (histereznog) regulatora i promjenjive frekvencije prebacivanja sklopki;
• šum širokog spektra zbog promjenjive frekvencije preklapanja.

Izravna kontrola momenta

Metodu izravne kontrole momenta s inkluzijskom tablicom prvi su opisali Takahashi i Noguchi u IEEJ dokumentu predstavljenom u rujnu 1984., a kasnije u IEEE dokumentu objavljenom u rujnu 1986. Dizajn klasične metode izravne regulacije momenta (DTC) mnogo je jednostavniji od metode terenske regulacije (), budući da ne zahtijeva transformaciju koordinatnih sustava i mjerenje položaja rotora. Dijagram metode izravne regulacije zakretnog momenta (slika dolje) sadrži estimator zakretnog momenta i toka statora, komparatore zakretnog momenta i toka histereze, preklopnu tablicu i pretvarač.

Princip metode izravna kontrola momenta sastoji se u odabiru vektora napona za simultanu kontrolu momenta i spoja toka statora. Izmjerene struje statora i naponi pretvarača koriste se za procjenu fluks veze i momenta. Procijenjene vrijednosti spoja fluksa statora i momenta uspoređuju se s upravljačkim signalima spoja fluksa statora ψ s * i momenta motora M *, redom, putem komparatora histereze. Potreban vektor upravljačkog napona motora odabire se iz tablice uključivanja na temelju digitaliziranih pogrešaka tokospoja d Ψ i momenta d M koje generiraju komparator histereze, kao i na temelju sektora položaja vektora tokospoja statora dobivenog na temelju njegovog kutnog položaja . Tako se odabirom vektora iz tablice generiraju impulsi SA, S B i SC za upravljanje sklopkama snage pretvarača.

Klasični krug izravne regulacije zakretnog momenta s preklopnom tablicom sa senzorom brzine

Postoje mnoge varijante klasičnog kruga dizajniranog za poboljšanje pokretanja, uvjeta preopterećenja, rada pri vrlo maloj brzini, smanjenja valovitosti momenta, rada na promjenjivim frekvencijama prebacivanja i smanjenja razine buke.

Nedostatak klasične metode izravne regulacije momenta je prisutnost velikih strujnih valova čak iu stacionarnom stanju. Problem se otklanja povećanjem radne frekvencije pretvarača iznad 40 kHz, što povećava ukupnu cijenu sustava upravljanja.

Neposredna samouprava

Depenbrock je u listopadu 1984. podnio patentnu prijavu za metodu izravne samouprave. Dolje je prikazan blok dijagram neposredne samouprave.

Na temelju naredbi za povezivanje toka statora ψ s * i komponenti faze struje ψ sA, ψ sB i ψ sC, komparatori za povezivanje toka generiraju digitalne signale d A, d B i d C, koji odgovaraju stanjima aktivnog napona (V 1 – V 6). Histerezni regulator momenta ima izlazni signal d M, koji određuje nulta stanja. Dakle, regulator tokospoja statora postavlja vremenski interval stanja aktivnog napona koji pomiču vektor tokospoja statora duž zadane putanje, a regulator zakretnog momenta određuje vremenski interval nultog napona koji održava moment elektromotora u toleranciji polje određeno histerezom.

Izravna shema samouprave

Karakteristične značajke sheme izravne samouprave su:
• nesinusoidni oblici fluksovega i struje statora;
• vektor veze toka statora kreće se duž heksagonalne putanje;
• nema rezerve napona napajanja, mogućnosti pretvarača su u potpunosti iskorištene;
• frekvencija preklapanja pretvarača niža je od frekvencije izravnog upravljanja zakretnim momentom s sklopnom tablicom;
• izvrsna dinamika u konstantnom i oslabljenom polju polja.

Imajte na umu da se izvedba metode izravne samokontrole može reproducirati pomoću kruga sa širinom histereze fluksa od 14%.

- Što je vektorska kontrola?
- Održavajte struju na 90 stupnjeva.

Pojam “vektorsko upravljanje” elektromotora poznat je svima koji su se barem donekle zanimali za pitanje upravljanja AC motorom pomoću mikrokontrolera. Međutim, obično je u bilo kojoj knjizi o električnim pogonima poglavlje o vektorskom upravljanju negdje pri kraju, a sastoji se od gomile dlakavih formula s referencama na sva ostala poglavlja knjige. Zašto uopće ne želite razumjeti ovo pitanje? Čak i najjednostavnija objašnjenja još uvijek prolaze kroz jednadžbe diferencijalne ravnoteže, vektorske dijagrame i hrpu druge matematike. Zbog toga se pojavljuju pokušaji poput ovog da se nekako upali motor bez korištenja hardvera. Ali u stvari, vektorska kontrola je vrlo jednostavna ako razumijete princip njenog rada "na prstima". A onda će biti zabavnije baviti se formulama ako je potrebno.

Princip rada sinkronog stroja

Razmotrimo princip rada najjednostavnijeg AC motora - sinkronog stroja s trajnim magnetom. Zgodan primjer je kompas: njegova magnetska igla je rotor sinkronog stroja, a Zemljino magnetsko polje je magnetsko polje statora. Bez vanjskog opterećenja (a u kompasu ga nema, osim trenja i tekućine koja prigušuje oscilacije igle), rotor je uvijek orijentiran duž polja statora. Ako držimo kompas i okrećemo Zemlju ispod njega, igla će se vrtjeti zajedno s njim, radeći miješanje tekućine unutar kompasa. Ali postoji malo jednostavniji način - možete uzeti vanjski magnet, na primjer, u obliku šipke s polovima na krajevima, čije je polje mnogo jače od magnetskog polja Zemlje, prinijeti ga kompasu odozgo i okrenite magnet. Strelica će se kretati prateći rotirajuće magnetsko polje. U pravom sinkronom motoru polje statora stvaraju elektromagneti - zavojnice sa strujom. Krugovi namota tamo su složeni, ali princip je isti - oni stvaraju magnetsko polje sa statorom, usmjereno u željenom smjeru i ima potrebnu amplitudu. Pogledajmo sljedeću sliku (Slika 1). U sredini je magnet - rotor sinkronog motora ("strelica" kompasa), a sa strane su dva elektromagneta - zavojnice, od kojih svaki stvara svoje magnetsko polje, jedan u okomitoj osi, drugi u horizontali.

Slika 1. Princip rada sinkronog električnog stroja

Magnetski tok zavojnice proporcionalan je struji u njoj (u prvoj aproksimaciji). Zanimat će nas magnetski tok od statora na mjestu gdje se nalazi rotor, tj. u središtu slike (zanemarujemo rubne efekte, raspršenje i sve ostalo). Magnetski tokovi dviju okomito postavljenih zavojnica zbrajaju se vektorski, tvoreći jedan zajednički tok za interakciju s rotorom. Ali budući da je tok proporcionalan struji u zavojnici, pogodno je crtati strujne vektore izravno, poravnavajući ih s tokom. Slika prikazuje neke struje ja α I ja β, stvarajući magnetske tokove duž α odnosno β osi. Ukupni vektor struje statora Je stvara suusmjereni magnetski tok statora. Oni. zapravo Je simbolizira vanjski magnet koji smo donijeli na kompas, ali stvoren elektromagnetima - zavojnicama s strujom.
Na slici se rotor nalazi u proizvoljnom položaju, ali će iz tog položaja rotor težiti rotaciji prema magnetskom toku statora, tj. vektorom Je(položaj rotora u ovom slučaju prikazan je isprekidanom linijom). Prema tome, ako struju primijenite samo na fazu α , recimo ja α= 1A, rotor će stajati vodoravno, a ako je u β, okomito, a ako primijenite ja β= -1 I onda će se okrenuti za 180 stupnjeva. Ako dovodite struju ja α prema zakonu sinusa, i ja β prema zakonu kosinusa vremena stvorit će se okretno magnetsko polje. Rotor će ga pratiti i vrtjeti (kao što igla kompasa prati rotaciju magneta rukom). To je osnovni princip rada sinkronog stroja, u ovom slučaju dvofaznog stroja s jednim parom pluseva.
Nacrtajmo graf momenta motora ovisno o kutnom položaju osovine rotora i vektoru struje Je stator – kutna karakteristika sinkronog motora. Ova ovisnost je sinusna (slika 2).

Slika 2. Kutna karakteristika sinkronog stroja (ovdje postoji određena povijesna zbrka s predznacima momenta i kuta, zbog čega se karakteristika često crta obrnuto u odnosu na horizontalnu os).

Da biste dobili ovaj grafikon u praksi, možete staviti senzor zakretnog momenta na osovinu rotora, zatim uključiti bilo koji vektor struje, na primjer, jednostavno primijeniti struju na fazu α. Rotor će se okretati u odgovarajući položaj, koji se mora uzeti kao nula. Zatim, preko senzora momenta, morate okrenuti rotor "ručno", fiksirajući kut na grafikonu u svakoj točki θ , koji je bio okrenut, i trenutak koji je senzor pokazao. Oni. morate rastegnuti "magnetsku oprugu" motora kroz senzor momenta. Najveći moment bit će pod kutom od 90 stupnjeva od trenutnog vektora (od početka). Amplituda rezultirajućeg maksimalnog momenta Mmax proporcionalna je amplitudi primijenjenog vektora struje. Ako primijenimo 1A, dobijemo recimo M max = 1 N∙m (njutn*metar, mjerna jedinica momenta), ako primijenimo 2A, dobijemo M max = 2 N∙m.

Iz ove karakteristike proizlazi da motor razvija najveći moment kada je rotor pod kutom od 90° u odnosu na vektor struje. Budući da pri kreiranju upravljačkog sustava na mikrokontroleru želimo dobiti najveći moment od motora uz minimalne gubitke, a gubici su prije svega struja u namotima, najracionalnije je uvijek postaviti struju vektor pod 90° u odnosu na magnetsko polje rotora, tj. okomito na magnet na slici 1. Sve trebamo promijeniti obrnuto - rotor se ne kreće prema vektoru struje koji smo postavili, nego uvijek postavljamo vektor struje na 90° u odnosu na rotor, bez obzira kako se on tu vrtio , tj. “prikovati” strujni vektor na rotor. Moment motora regulirat ćemo amplitudom struje. Što je veća amplituda, veći je moment. Ali frekvencija rotacije, frekvencija struje u namotima više nije "naša" stvar - što se događa, kako se rotor okreće, tako će i biti - mi kontroliramo moment na osovini. Začudo, to je upravo ono što se zove vektorska kontrola - kada kontroliramo vektor struje statora tako da je pod 90° u odnosu na magnetsko polje rotora. Iako neki udžbenici daju šire definicije, do točke da se vektorska kontrola općenito odnosi na sve zakone kontrole u koje su uključeni "vektori", ali obično se vektorska kontrola odnosi upravo na gornju metodu kontrole.

Izgradnja strukture vektorskog upravljanja

Ali kako se kontrola vektora postiže u praksi? Očito, prvo morate znati položaj rotora kako biste imali s čime mjeriti 90° u odnosu. Najlakši način da to učinite je ugradnjom samog senzora položaja na osovinu rotora. Zatim morate smisliti kako stvoriti strujni vektor, održavajući željene struje u fazama α I β . Na motor dovodimo napon, a ne struju... Ali pošto želimo nešto poduprijeti, moramo to izmjeriti. Stoga će vam za vektorsko upravljanje trebati senzori fazne struje. Zatim morate sastaviti vektorsku upravljačku strukturu u obliku programa na mikrokontroleru koji će učiniti ostalo. Kako ovo objašnjenje ne bi izgledalo kao uputa o tome "kako nacrtati sovu", nastavimo s ronjenjem.
Možete održavati struju pomoću mikrokontrolera pomoću softverskog PI (proporcionalno-integralnog) regulatora struje i PWM-a. Na primjer, dolje je prikazana struktura s regulatorom struje za jednu fazu α (slika 3).

Slika 3. Struktura zatvorene regulacije za jednu fazu

Ovdje je trenutna postavka i α_natrag– određena konstanta, struja koju želimo održati za ovu fazu, npr. 1A. Zadatak se šalje trenutnom zbrajaču regulatora, čija je otkrivena struktura prikazana gore. Ako čitatelj ne zna kako radi PI regulator, onda jao. Mogu samo nešto od ovoga preporučiti. Regulator izlazne struje postavlja fazni napon U α. Napon se dovodi u PWM blok, koji izračunava postavke radnog ciklusa (postavke usporedbe) za PWM tajmere mikrokontrolera, generirajući PWM na premosnom pretvaraču od četiri prekidača za generiranje ovog U α. Algoritam može biti drugačiji, na primjer, za pozitivni napon PWM desnog regala proporcionalan je postavci napona, donji prekidač je zatvoren lijevo, za negativni PWM lijevi, donji prekidač je zatvoren desno. Ne zaboravite dodati mrtvo vrijeme! Kao rezultat, takva struktura čini softver "izvorom struje" nauštrb izvora napona: postavljamo vrijednost koja nam je potrebna i α_natrag, a ova ga struktura implementira određenom brzinom.

Nadalje, možda su neki čitatelji već pomislili da je struktura vektorske kontrole samo mala stvar - trebate instalirati dva regulatora struje, po jedan regulator za svaku fazu, i formirati zadatak na njima ovisno o kutu od senzora položaja rotora ( RPS), tj. napravite nešto poput ove strukture (slika 4):

Slika 4. Netočna (naivna) struktura vektorske kontrole

Ne možeš to učiniti. Kada se rotor okreće, varijable i α_natrag I i β_natrag bit će sinusoidna, tj. zadatak sadašnjih regulatora stalno će se mijenjati. Brzina kontrolera nije beskonačna, pa kad se zadatak promijeni, ne obrađuje ga odmah. Ako se zadatak stalno mijenja, tada će ga regulator uvijek sustići, nikad ga ne dostići. A kako se brzina vrtnje motora povećava, zaostatak stvarne struje od zadane bit će sve veći i veći, sve dok željeni kut od 90° između struje i magneta rotora ne prestane uopće biti sličan njoj, a vektor kontrola prestaje biti takva. Zato to rade drugačije. Ispravna struktura je sljedeća (slika 5):

Slika 5. Struktura upravljanja vektorskim senzorom za dvofazni sinkroni stroj

Ovdje su dodana dva bloka - BKP_1 i BKP_2: blokovi transformacije koordinata. Rade vrlo jednostavnu stvar: rotiraju ulazni vektor za zadani kut. Štoviše, BOD_1 se pretvara u + ϴ , i BKP_2 na - ϴ . To je sva razlika među njima. U stranoj literaturi nazivaju se Park transformacije. BKP_2 izvodi transformaciju koordinata za struje: od fiksnih osi α I β , vezan za stator motora, za rotacijske osi d I q, vezan za rotor motora (koristeći kut položaja rotora ϴ ). A BKP_1 čini obrnutu transformaciju, od postavljanja napona duž osi d I qčini prijelaz na osi α I β . Ne dajem nikakve formule za pretvorbu koordinata, ali su jednostavne i vrlo ih je lako pronaći. Zapravo, nema ništa kompliciranije od školske geometrije (slika 6):

Slika 6. Transformacije koordinata s fiksnih osi α i β, vezanih na stator motora, na rotacijske osi. d I q, vezan za rotor

To jest, umjesto da se "rotiraju" postavke regulatora (kao što je bio slučaj u prethodnoj strukturi), njihovi ulazi i izlazi se okreću, a sami regulatori rade u statičkom načinu rada: struje d, q a izlazi regulatora u ustaljenom stanju su konstantni. Osovine d I q okreću zajedno s rotorom (jer ih okreće signal senzora položaja rotora), dok regulator osi q regulira upravo onu struju koju sam na početku članka nazvao “okomito na polje rotora”, odnosno to je struja koja stvara moment, a struja d je poravnat s "magnetom rotora", pa nam ne treba i postavljamo ga na nulu. Ova struktura lišena je mane prve strukture - sadašnji regulatori niti ne znaju da se negdje nešto vrti. Rade u statičkom režimu: podesili su svaku svoju struju, postigli zadani napon - i to je to, kao i rotor, ne bježite od njih, oni ni ne znaju za to: sav posao okretanja se vrši blokovima transformacije koordinata.

Da biste objasnili "na prstima", možete dati neku analogiju.

Za linijski promet neka to bude npr. gradski autobus. Stalno ubrzava, pa usporava, pa ide unatrag i uglavnom se ponaša kako hoće: to je rotor motora. Također, nalazite se u automobilu u blizini, vozite paralelno: vaš zadatak je biti točno u sredini autobusa: "drži 90°", vi ste regulatori struje. Ako autobus cijelo vrijeme mijenja brzinu, i vi biste trebali mijenjati brzinu u skladu s tim i pratiti je cijelo vrijeme. Ali sada ćemo za vas napraviti "vektorsku kontrolu". Popeli ste se u autobus, stali u sredinu i uhvatili se za rukohvat - poput autobusa, nemojte bježati, lako ćete se nositi sa zadatkom "biti u sredini autobusa". Slično tome, strujni regulatori, koji se "kotrljaju" u rotirajućim osima d, q rotora, žive lagodan život.

Gornja struktura zapravo radi i koristi se u modernim električnim pogonima. Jedino mu nedostaje čitava hrpa malih "poboljšanja", bez kojih više nije uobičajeno raditi, kao što su kompenzacija za križne veze, razna ograničenja, slabljenje polja itd. Ali ovo je osnovni princip.

A ako trebate regulirati ne pogonski moment, već brzinu (ispravnu kutnu brzinu, frekvenciju vrtnje)? Pa onda ugrađujemo još jedan PI regulator - regulator brzine (RS). Na ulazu primjenjujemo naredbu brzine, a na izlazu imamo naredbu momenta. Budući da je osna struja q je proporcionalan okretnom momentu, a zatim da se pojednostavi, izlaz regulatora brzine može se dovesti izravno na ulaz regulatora struje osi q, ovako (slika 7):

Slika 7. Regulator brzine za vektorsko upravljanje
Ovdje SI, regulator intenziteta, glatko mijenja svoj učinak tako da motor ubrzava željenim tempom i ne vozi punom strujom dok se brzina ne postavi. Trenutna brzina ω preuzeto iz rukovatelja senzorom položaja rotora, budući da ω ovo je derivacija kutnog položaja ϴ . Pa, ili jednostavno možete izmjeriti vrijeme između impulsa senzora...

Kako učiniti isto za trofazni motor? Pa, zapravo, ništa posebno, dodamo još jedan blok i promijenimo PWM modul (slika 8).

Slika 8. Struktura upravljanja vektorskim senzorom za trofazni sinkroni stroj

Trofazne struje, baš kao i dvofazne, služe jednoj svrsi - stvaranju vektora struje statora Je, usmjeren u željenom smjeru i sa željenom amplitudom. Stoga se trofazne struje mogu jednostavno pretvoriti u dvofazne, a zatim ostaviti isti upravljački sustav koji je već sastavljen za dvofazni stroj. U engleskoj literaturi se takvo “preračunavanje” naziva Clarkeova transformacija (ona je Edith Clarke), kod nas se zove fazna transformacija. U strukturi na slici 8, prema tome, to čini blok fazne transformacije. Ponovno se rade pomoću školskog tečaja geometrije (slika 9):

Slika 9. Pretvorbe faza - iz tri faze u dvije. Radi praktičnosti, pretpostavljamo da je amplituda vektora I s jednaka amplitudi struje u fazi

Mislim da komentari nisu potrebni. Nekoliko riječi o struji faze C. Tu nema potrebe postavljati strujni senzor jer su tri faze motora spojene u zvijezdu, a prema Kirchhoffovom zakonu sve što teče kroz dvije faze mora istjecati iz treći (osim, naravno, ako nema rupe u izolaciji vašeg motora, a pola nije iscurilo negdje na kućište), stoga se struja faze C izračunava kao skalarni zbroj struja faza A i B s znak minus. Iako se ponekad ugrađuje treći senzor kako bi se smanjila pogreška mjerenja.

Također je potrebna potpuna prerada PWM modula. Obično se trofazni pretvarač sa šest prekidača koristi za trofazne motore. Na slici naredba za napon još uvijek stiže u dvofaznim osima. Unutar PWM modula, pomoću obrnutih faznih transformacija, to se može pretvoriti u napone faza A, B, C, koji se moraju primijeniti na motor u ovom trenutku. Ali što dalje... Opcije su moguće. Naivna metoda je postaviti radni ciklus za svaki stalak pretvarača proporcionalan željenom naponu plus 0,5. To se zove sinusni PWM. Upravo ovu metodu koristio je autor u habrahabr.ru/post/128407. Sve je dobro u ovoj metodi, osim što će ova metoda nedovoljno iskoristiti pretvarač napona - tj. maksimalni napon koji će se dobiti bit će manji od onoga što biste mogli dobiti da ste koristili napredniju PWM metodu.

Izračunajmo. Neka imate klasični pretvarač frekvencije, napajan industrijskom trofaznom mrežom 380V 50Hz. Ovdje je 380 V linearni (između faza) efektivni napon. Budući da pretvarač sadrži ispravljač, on će ispraviti ovaj napon i istosmjerna sabirnica će imati napon jednak amplitudnom linearnom naponu, tj. 380∙√2=540V DC napon (bar bez opterećenja). Ako u PWM modulu primijenimo sinusoidni algoritam izračuna, tada će amplituda maksimalnog faznog napona koju možemo postići biti jednaka polovici napona na DC sabirnici, tj. 540/2=270V. Pretvorimo u efektivnu fazu: 270/√2=191V. A sada na strujni linear: 191∙√3=330V. Sada možemo usporediti: 380V je došlo, ali 330V je izašlo ... I ne možete učiniti ništa drugo s ovom vrstom PWM-a. Da bi se riješio ovaj problem, koristi se takozvani vektorski PWM. Njegov izlaz će opet biti 380V (idealno, bez uzimanja u obzir svih padova napona). Vektorski PWM nema nikakve veze s vektorskim upravljanjem elektromotora. Samo što njegovo obrazloženje opet koristi malu školsku geometriju, pa se zato i zove vektor. No, njegov se rad ne može objasniti na prstima, pa ću čitatelja uputiti na knjige (na kraju članka) ili na Wikipediju. Mogu vam dati i sliku koja malo nagovještava razliku u radu sinusoidnog i vektorskog PWM-a (Slika 10):

Slika 10. Promjena faznih potencijala za skalarni i vektorski PWM

Vrste senzora položaja

Usput, koji se senzori položaja koriste za vektorsku kontrolu? Postoje četiri vrste senzora koji se najčešće koriste. To su kvadraturni inkrementalni koder, koder baziran na Hall elementima, koder apsolutnog položaja i sinkroni koder.
Kvadraturni koder ne označava apsolutni položaj rotora - svojim impulsima samo vam omogućuje da odredite koliko ste putovali, ali ne i gdje i odakle (kako su početak i kraj povezani s lokacijom magneta rotora). Stoga nije prikladan za vektorsko upravljanje sinkronog stroja. Njegova referentna oznaka (indeks) malo spašava situaciju - postoji samo jedna po mehaničkom okretaju, ako dođete do nje, tada postaje poznata apsolutna pozicija, a iz nje već možete računati koliko ste vozili pomoću kvadraturnog signala. Ali kako doći do ove oznake na početku rada? Općenito, ovo nije uvijek nezgodno.
Senzor Hallovog elementa- Ovo je grubi senzor. Proizvodi samo nekoliko impulsa po okretaju (ovisno o broju Hallovih elemenata; za trofazne motore obično ima tri, tj. šest impulsa), što vam omogućuje da znate položaj u apsolutnoj vrijednosti, ali s malom točnošću. Preciznost je obično dovoljna da se zadrži kut vektora struje tako da se motor barem kreće naprijed, a ne unatrag, ali moment i struje će pulsirati. Ako je motor ubrzao, tada možete početi programski ekstrapolirati signal sa senzora tijekom vremena - tj. konstruirati linearno promjenjivi kut iz grubog diskretnog kuta. To se radi na temelju pretpostavke da se motor vrti približno konstantnom brzinom, otprilike ovako (slika 11):

Slika 11. Rad senzora položaja Hallovog elementa za trofazni stroj i ekstrapolacija njegovog signala

Često se za servo motore koristi kombinacija enkodera i Hallovog senzora. U ovom slučaju, možete napraviti jedan softverski modul za njihovu obradu, eliminirajući nedostatke oba: izvršite gornju ekstrapolaciju kuta, ali ne prema vremenu, već prema oznakama kodera. Oni. Koder radi unutar Hallovog senzora od ruba do ruba, a svaki Hallov rub jasno inicijalizira trenutni apsolutni kutni položaj. U ovom slučaju, samo će prvi pokret pogona biti neoptimalan (ne na 90°), sve dok ne dosegne neku prednju stranu Hallovog senzora. Poseban problem u ovom slučaju je obrada neidealnosti oba senzora - rijetko tko rasporedi Hallove elemente simetrično i ravnomjerno...

U još skupljim aplikacijama koje koriste apsolutni koder s digitalnim sučeljem (koderom apsolutne vrijednosti), koji odmah daje apsolutnu poziciju i omogućuje izbjegavanje gore opisanih problema.

Ako je električni motor jako vruć, a također i kada je potrebna veća točnost mjerenja kuta, koristite "analogni" sinkroni senzor(rezolver, rotirajući transformator). Ovo je mali električni stroj koji se koristi kao senzor. Zamislimo da u sinkronom stroju koji smo razmatrali na slici 1. umjesto magneta postoji još jedna zavojnica na koju dovodimo visokofrekventni signal. Ako je rotor vodoravan, tada će se signal inducirati samo u zavojnici faznog statora α , ako je okomito - onda samo u β , ako ga okreneš za 180 promijenit će se faza signala, au međupoložajima se inducira i tamo i tamo po sinusno/kosinusnom zakonu. Prema tome, mjerenjem amplitude signala u dva svitka, položaj se može odrediti i iz omjera ove amplitude i faznog pomaka. Instaliranjem takvog stroja kao senzora na glavni, možete saznati položaj rotora.
Postoji mnogo više egzotičnih senzora položaja, posebno za ultra-visoke precizne primjene kao što je izrada elektroničkih čipova. Tu se koriste bilo kakve fizikalne pojave samo da bi se što točnije saznala pozicija. Nećemo ih razmatrati.

Pojednostavljivanje vektorskog upravljanja

Kao što razumijete, vektorsko upravljanje je prilično zahtjevno - dajte mu senzore položaja, strujne senzore, PWM vektorsko upravljanje i nema mikrokontrolera za izračunavanje sve ove matematike. Stoga je za jednostavne primjene pojednostavljen. Za početak, možete eliminirati senzor položaja postavljanjem vektorske kontrole bez senzora. Da biste to učinili, upotrijebite malo više matematičke magije koja se nalazi u žutom pravokutniku (slika 12):

Slika 12. Struktura vektorske kontrole bez senzora

Promatrač je blok koji prima informacije o naponu primijenjenom na motor (na primjer, od posla na PWM modulu) io strujama u motoru od senzora. Unutar promatrača nalazi se model elektromotora koji, grubo rečeno, pokušava svoje struje u statoru prilagoditi onima izmjerenima iz stvarnog motora. Ako je uspjela, onda možemo pretpostaviti da položaj rotora simuliranog unutar osovine također koincidira sa stvarnim i može se koristiti za potrebe vektorskog upravljanja. Pa, ovo je, naravno, potpuno pojednostavljeno. Postoji bezbroj vrsta ovakvih promatrača. Svaki apsolvent specijaliziran za elektromotorne pogone pokušava izmisliti svoj, koji je nekako bolji od drugih. Osnovni princip je praćenje EMF elektromotora. Stoga, najčešće, sustav upravljanja bez senzora radi samo pri relativno visokim brzinama vrtnje, gdje je EMF velik. Također ima niz nedostataka u usporedbi s prisutnošću senzora: trebate znati parametre motora, brzina pogona je ograničena (ako se brzina rotacije naglo promijeni, promatrač možda neće imati vremena pratiti je i „lagati“ ” neko vrijeme ili se čak potpuno “raspasti”), postavljanje promatrača je cijeli postupak; za njegov kvalitetan rad potrebno je točno znati napon na motoru, točno izmjeriti njegove struje itd.

Postoji još jedna mogućnost pojednostavljenja. Na primjer, možete napraviti takozvano "automatsko prebacivanje". U ovom slučaju, za trofazni motor, oni napuštaju složenu PWM metodu, napuštaju složenu vektorsku strukturu i počinju jednostavno uključivati ​​faze motora pomoću senzora položaja na Hall elementima, čak ponekad i bez ikakvog ograničenja struje. Struja u fazama nije sinusna, već trapezoidna, pravokutna ili još više iskrivljena. Ali pokušavaju osigurati da je prosječni strujni vektor još uvijek na 90 stupnjeva u odnosu na "magnet rotora" odabirom trenutka kada su faze uključene. Istodobno, uključivanjem faze pod naponom, nije poznato kada će se struja povećati u fazi motora. Pri maloj brzini rotacije to čini brže, pri velikoj brzini, gdje EMF stroja ometa, to čini sporije; brzina povećanja struje također ovisi o induktivitetu motora itd. Stoga, čak i uključujući faze u točno pravo vrijeme, uopće nije činjenica da će prosječni strujni vektor biti na pravom mjestu i s pravom fazom - može napredovati ili kasniti u odnosu na optimalnih 90 stupnjeva. Stoga se u takvim sustavima uvodi postavka "naprijed preklapanja" - u biti samo vrijeme, koliko ranije napon treba primijeniti na fazu motora, tako da na kraju faza vektora struje bude bliža 90 stupnjeva. Jednostavno rečeno, to se zove "postavljanje vremena". Budući da struja u elektromotoru tijekom autokomutacije nije sinusoidna, onda ako uzmete sinusoidalni stroj o kojem je gore bilo riječi i upravljate njime na ovaj način, okretni moment na osovini će pulsirati. Stoga se u motorima dizajniranim za autokomutaciju magnetska geometrija rotora i statora često mijenja na poseban način kako bi bili prikladniji za ovu vrstu upravljanja: EMF takvih strojeva je trapezoidan, zbog čega bolje rade u način autokomutacije. Sinkroni strojevi optimizirani za autokomutaciju nazivaju se istosmjerni motori bez četkica (BLDC) ili na engleskom BLDC (Brushless Direct Current Motor). Način rada s automatskom komutacijom često se naziva i način rada ventila, a motori koji rade s njim su ventilskog tipa. Ali to su sve samo različiti nazivi koji ni na koji način ne utječu na bit (ali iskusni operateri električnih pogona često pate od CPGS-a u stvarima vezanim uz ova imena). Postoji dobar video koji ilustrira princip rada takvih strojeva. Prikazuje invertirani motor, s rotorom izvana i statorom iznutra:

Ali postoji niz članaka o takvim motorima i hardveru upravljačkog sustava.

Možete ići na još veće pojednostavljenje. Zamijenite namote tako da je jedna faza uvijek "slobodna" i da se na nju ne primjenjuje PWM. Tada je moguće izmjeriti EMF (napon induciran u faznom svitku), a kada taj napon prođe kroz nulu, koristiti to kao signal sa senzora položaja rotora, jer faza ovog induciranog napona ovisi upravo o položaju rotor. To rezultira automatskom komutacijom bez senzora, koja se široko koristi u raznim jednostavnim pogonima, na primjer, u "regulatorima" za propelere modela zrakoplova. Mora se imati na umu da se EMF stroja pojavljuje samo pri relativno visokoj brzini vrtnje, stoga, za pokretanje, takvi sustavi upravljanja jednostavno polako kruže kroz faze, nadajući se da će rotor motora pratiti isporučenu struju. Čim se pojavi EMF, aktivira se način auto-komutacije. Stoga sustav bez senzora (tako jednostavan, a najčešće i složen) nije prikladan za zadatke u kojima motor mora biti u stanju razviti okretni moment pri brzinama blizu nule, na primjer, za vučni pogon automobila (ili njegovog modela) , servo pogon nekog mehanizma itd. P. Ali sustav bez senzora uspješno je prikladan za pumpe i ventilatore, gdje se koristi.

Ali ponekad čine još veća pojednostavljenja. Možete potpuno napustiti mikrokontroler, tipke, senzore položaja i druge stvari prebacivanjem faza posebnim mehaničkim prekidačem (slika 13):

Slika 13. Mehanička sklopka za preklapanje namota

Prilikom rotacije, sam rotor mijenja svoje dijelove namota, mijenjajući napon koji se na njih primjenjuje, dok u rotoru teče izmjenična struja. Komutator je postavljen na takav način da je magnetski tok rotora i statora ponovno blizu 90 stupnjeva kako bi se postigao maksimalni moment. Takve motore naivno nazivamo istosmjernim motorima, ali potpuno nezasluženo: unutra, nakon kolektora, struja je još uvijek izmjenična!

Zaključak

Svi električni strojevi rade na sličan način. U teoriji električnih pogona postoji čak i koncept "generaliziranog električnog stroja", na koji se svodi rad drugih. “Praktična” objašnjenja prikazana u članku ni na koji način ne mogu poslužiti kao praktični vodič za pisanje koda mikrokontrolera. U članku se dobro raspravlja o postotku informacija koje su potrebne za provedbu stvarne vektorske kontrole. Da bi se nešto radilo u praksi, potrebno je, prvo, poznavati TAU, barem na razini razumijevanja rada PI regulatora. Zatim još trebate proučiti matematički opis i sinkronog stroja i sinteze vektorskog upravljanja. Također proučite vektorski PWM, saznajte što su parovi polova, upoznajte se s vrstama namota stroja itd. To se može učiniti u najnovijoj knjizi “Anuchin A.S. MPEI, 2015”, kao i u “Kalachev N. Vektorska regulacija (napomene iz prakse)”. Čitatelja treba upozoriti da ne ulazi u formule "starih" udžbenika o pogonima, gdje je glavni naglasak na razmatranju karakteristika elektromotora kada se napajaju izravno iz trofazne industrijske mreže, bez ikakvih mikrokontrolera i senzora položaja. Ponašanje motora u ovom slučaju opisano je složenim formulama i ovisnostima, ali za problem vektorskog upravljanja oni gotovo da nemaju nikakve koristi (ako se samo proučavaju za samorazvoj). Posebno treba biti oprezan s preporukama starih udžbenika, gdje se, na primjer, kaže da sinkroni stroj ne bi trebao raditi s maksimalnim momentom, jer je rad tamo nestabilan i prijeti prevrtanje - sve su to "loši savjeti". ” za vektorsku kontrolu.

Na kojem mikrokontroleru možete napraviti punopravno vektorsko upravljanje, pročitajte, na primjer, u našem članku Novi domaći mikrokontroler za upravljanje motorom K1921VK01T JSC NIIET, a kako ga otkloniti u članku Metode za otklanjanje pogrešaka softvera mikrokontrolera u električnom pogonu. Posjetite i našu web stranicu: konkretno, tamo su objavljena dva dosadna videa koji u praksi pokazuju kako postaviti PI strujni regulator, kao i kako funkcionira strujno zatvorena i vektorska upravljačka struktura bez senzora. Osim toga, možete kupiti komplet za otklanjanje pogrešaka s gotovom strukturom vektorske kontrole senzora na domaćem mikrokontroleru.

p.s.
Ispričavam se stručnjacima na ne sasvim ispravnom rukovanju nekim pojmovima, posebice pojmovima "tok", "fluks veza", "magnetsko polje" i drugima - jednostavnost zahtijeva žrtvu...

Prema najnovijim statistikama, oko 70% ukupne električne energije proizvedene u svijetu troše električni pogoni. I svake godine taj postotak raste.

Uz pravilno odabranu metodu upravljanja elektromotorom, moguće je postići maksimalnu učinkovitost, maksimalni okretni moment na osovini električnog stroja, a istodobno će se povećati ukupna izvedba mehanizma. Učinkoviti elektromotori troše minimalno električne energije i daju maksimalnu učinkovitost.

Kod elektromotora s inverterskim pogonom učinkovitost će uvelike ovisiti o odabranom načinu upravljanja električnim strojem. Samo razumijevanjem prednosti svake metode inženjeri i dizajneri pogonskih sustava mogu dobiti maksimalnu izvedbu svake metode upravljanja.
Sadržaj:

Metode kontrole

Mnogi ljudi koji rade u području automatizacije, ali nisu blisko uključeni u razvoj i implementaciju električnih pogonskih sustava, vjeruju da se upravljanje elektromotorom sastoji od niza naredbi koje se unose pomoću sučelja s upravljačke ploče ili osobnog računala. Da, s gledišta opće hijerarhije upravljanja automatiziranim sustavom, to je točno, ali postoje i načini upravljanja samim elektromotorom. Upravo će ove metode imati maksimalni utjecaj na performanse cijelog sustava.

Za asinkrone motore spojene na pretvarač frekvencije postoje četiri glavne metode upravljanja:

• U/f – volti po hercu;
• U/f s koderom;
• Vektorska kontrola otvorene petlje;
• Vektorsko upravljanje zatvorenom petljom;

Sve četiri metode koriste PWM modulaciju širine impulsa, koja mijenja širinu fiksnog signala variranjem širine impulsa za stvaranje analognog signala.

Modulacija širine impulsa primjenjuje se na pretvarač frekvencije korištenjem fiksnog napona istosmjerne sabirnice. brzim otvaranjem i zatvaranjem (točnije preklapanjem) generiraju izlazne impulse. Mijenjanjem širine ovih impulsa na izlazu, dobiva se "sinusoida" željene frekvencije. Čak i ako je oblik izlaznog napona tranzistora pulsirajući, struja se i dalje dobiva u obliku sinusoide, budući da elektromotor ima induktivitet koji utječe na oblik struje. Sve metode upravljanja temelje se na PWM modulaciji. Razlika između metoda upravljanja leži samo u načinu izračuna napona koji se dovodi na elektromotor.

U ovom slučaju, noseća frekvencija (prikazana crvenom bojom) predstavlja maksimalnu frekvenciju preklapanja tranzistora. Noseća frekvencija za pretvarače obično je u rasponu od 2 kHz - 15 kHz. Referenca frekvencije (prikazana plavom bojom) je signal naredbe izlazne frekvencije. Za pretvarače koji se koriste u konvencionalnim električnim pogonskim sustavima, u pravilu se kreće od 0 Hz do 60 Hz. Kada se signali dviju frekvencija preklapaju jedan s drugim, izdat će se signal za otvaranje tranzistora (označen crnom bojom), koji napaja električni motor.

U/F metoda kontrole

Kontrola volta po Hz, koja se najčešće naziva U/F, možda je najjednostavnija metoda upravljanja. Često se koristi u jednostavnim električnim pogonskim sustavima zbog svoje jednostavnosti i minimalnog broja parametara potrebnih za rad. Ova metoda upravljanja ne zahtijeva obveznu ugradnju enkodera i obvezne postavke za elektromotorni pogon promjenjive frekvencije (ali se preporučuje). To dovodi do nižih troškova za pomoćnu opremu (senzore, povratne žice, releje itd.). U/F kontrola se dosta često koristi u visokofrekventnoj opremi, na primjer, često se koristi u CNC strojevima za pogon rotacije vretena.

Model konstantnog momenta ima konstantan moment u cijelom rasponu brzine s istim omjerom U/F. Model s promjenjivim omjerom momenta ima niži napon napajanja pri malim brzinama. Ovo je neophodno kako bi se spriječilo zasićenje električnog stroja.

U/F je jedini način regulacije brzine asinkronog elektromotora koji omogućuje upravljanje više elektromotora iz jednog frekvencijskog pretvarača. Prema tome, svi se strojevi pokreću i zaustavljaju istovremeno i rade istom frekvencijom.

Ali ova metoda kontrole ima nekoliko ograničenja. Na primjer, kada se koristi U/F metoda upravljanja bez enkodera, nema apsolutno nikakve sigurnosti da se osovina asinkronog stroja okreće. Osim toga, početni moment električnog stroja pri frekvenciji od 3 Hz ograničen je na 150%. Da, ograničeni okretni moment više je nego dovoljan za prilagodbu većini postojeće opreme. Na primjer, gotovo svi ventilatori i pumpe koriste U/F metodu upravljanja.

Ova metoda je relativno jednostavna zbog svoje labavije specifikacije. Regulacija brzine je obično u rasponu od 2% - 3% maksimalne izlazne frekvencije. Odziv brzine izračunava se za frekvencije iznad 3 Hz. Brzina odziva frekvencijskog pretvarača određena je brzinom njegovog odziva na promjene referentne frekvencije. Što je veća brzina odziva, to će brže električni pogon reagirati na promjene u postavkama brzine.

Raspon kontrole brzine pri korištenju U/F metode je 1:40. Množenjem tog omjera s maksimalnom radnom frekvencijom električnog pogona dobivamo vrijednost minimalne frekvencije na kojoj električni stroj može raditi. Na primjer, ako je maksimalna vrijednost frekvencije 60 Hz, a raspon 1:40, tada će minimalna vrijednost frekvencije biti 1,5 Hz.

U/F obrazac određuje odnos između frekvencije i napona tijekom rada frekventnog pogona. Prema njoj će krivulja podešavanja brzine vrtnje (frekvencija motora) odrediti, osim vrijednosti frekvencije, i vrijednost napona koji se dovodi na stezaljke električnog stroja.

Operateri i tehničari mogu odabrati željeni U/F kontrolni uzorak s jednim parametrom u modernom pretvaraču frekvencije. Unaprijed instalirani predlošci već su optimizirani za određene aplikacije. Također postoje mogućnosti za izradu vlastitih predložaka koji će biti optimizirani za određeni pogon s promjenjivom frekvencijom ili sustav elektromotora.

Uređaji kao što su ventilatori ili pumpe imaju moment opterećenja koji ovisi o njihovoj brzini vrtnje. Varijabilni zakretni moment (slika gore) U/F uzorka sprječava pogreške u upravljanju i poboljšava učinkovitost. Ovaj upravljački model smanjuje struje magnetiziranja na niskim frekvencijama smanjenjem napona na električnom stroju.

Mehanizmi konstantnog momenta kao što su transporteri, ekstruderi i druga oprema koriste metodu kontrole konstantnog momenta. Uz konstantno opterećenje potrebna je puna struja magnetiziranja pri svim brzinama. Sukladno tome, karakteristika ima ravan nagib kroz cijelo područje brzine.

U/F metoda upravljanja s enkoderom

Ako je potrebno povećati točnost kontrole brzine vrtnje, sustavu upravljanja dodaje se enkoder. Uvođenje povratne informacije o brzini pomoću enkodera omogućuje vam povećanje točnosti upravljanja na 0,03%. Izlazni napon i dalje će biti određen navedenim U/F uzorkom.

Ova metoda upravljanja nije široko korištena, jer su prednosti koje pruža u usporedbi sa standardnim U/F funkcijama minimalne. Početni moment, brzina odziva i raspon kontrole brzine identični su standardnom U/F. Osim toga, kada se radne frekvencije povećaju, mogu se pojaviti problemi s radom enkodera, jer ima ograničen broj okretaja.

Vektorsko upravljanje otvorenom petljom

Vektorsko upravljanje otvorenom petljom (VC) koristi se za šire i dinamičnije upravljanje brzinom električnog stroja. Kod pokretanja iz pretvarača frekvencije elektromotori mogu razviti startni moment od 200% nazivnog momenta pri frekvenciji od samo 0,3 Hz. Ovo značajno proširuje popis mehanizama u kojima se može koristiti asinkroni električni pogon s vektorskom kontrolom. Ova metoda vam također omogućuje kontrolu okretnog momenta stroja u sva četiri kvadranta.

Moment je ograničen motorom. Ovo je neophodno kako bi se spriječilo oštećenje opreme, strojeva ili proizvoda. Vrijednost momenta je podijeljena u četiri različita kvadranta, ovisno o smjeru vrtnje električnog stroja (naprijed ili unatrag) i ovisno o tome je li elektromotor implementiran. Ograničenja se mogu postaviti za svaki kvadrant pojedinačno ili korisnik može postaviti ukupni moment u pretvaraču frekvencije.

Motorni način rada asinkronog stroja bit će pod uvjetom da magnetsko polje rotora zaostaje za magnetskim poljem statora. Ako magnetsko polje rotora počne nadmašivati ​​magnetsko polje statora, tada će stroj ući u način regenerativnog kočenja s oslobađanjem energije; drugim riječima, asinkroni motor će se prebaciti u način rada generatora.

Na primjer, stroj za zatvaranje boca može koristiti ograničenje zakretnog momenta u kvadrantu 1 (smjer prema naprijed s pozitivnim zakretnim momentom) kako bi se spriječilo pretjerano zatezanje čepa boce. Mehanizam se pomiče prema naprijed i koristi pozitivni moment za zatezanje čepa boce. Ali uređaj kao što je dizalo s protuutegom težim od prazne kabine koristit će kvadrant 2 (obrnuta rotacija i pozitivni moment). Ako se kabina podigne na gornji kat, moment će biti suprotan brzini. To je potrebno kako bi se ograničila brzina dizanja i spriječio slobodan pad protuutega, jer je teži od kabine.

Povratna strujna veza u ovim pretvaračima frekvencije omogućuje vam postavljanje ograničenja zakretnog momenta i struje elektromotora, jer kako struja raste, tako se povećava i zakretni moment. Izlazni napon pretvarača može se povećati ako mehanizam zahtijeva veći okretni moment ili se smanjiti ako se dosegne njegova najveća dopuštena vrijednost. To čini načelo vektorske kontrole asinkronog stroja fleksibilnijim i dinamičnijim u usporedbi s U/F načelom.

Također, frekvencijski pretvarači s vektorskim upravljanjem i otvorenom petljom imaju brži odziv brzine od 10 Hz, što omogućuje njihovu primjenu u mehanizmima s udarnim opterećenjem. Na primjer, kod drobilica stijena opterećenje se stalno mijenja i ovisi o volumenu i dimenzijama stijene koja se obrađuje.

Za razliku od uzorka upravljanja U/F, vektorsko upravljanje koristi vektorski algoritam za određivanje maksimalnog efektivnog radnog napona elektromotora.

Vektorsko upravljanje VU rješava ovaj problem zbog prisutnosti povratne veze na struju motora. Povratnu strujnu vezu u pravilu generiraju unutarnji strujni transformatori samog pretvarača frekvencije. Pomoću dobivene vrijednosti struje frekvencijski pretvarač izračunava moment i tok električnog stroja. Osnovni vektor struje motora matematički se dijeli na vektor struje magnetiziranja (I d) i momenta (I q).

Koristeći podatke i parametre električnog stroja, pretvarač izračunava vektore struje magnetiziranja (I d) i momenta (I q). Kako bi se postigla maksimalna učinkovitost, frekvencijski pretvarač mora držati I d i I q odvojene kutom od 90 0. Ovo je značajno jer je sin 90 0 = 1, a vrijednost 1 predstavlja najveću vrijednost momenta.

Općenito, vektorsko upravljanje indukcijskim motorom osigurava strožu kontrolu. Regulacija brzine je približno ±0,2% maksimalne frekvencije, a raspon regulacije doseže 1:200, što može održati okretni moment pri radu pri malim brzinama.

Vektorsko povratno upravljanje

Vektorsko upravljanje povratnom spregom koristi isti kontrolni algoritam kao VAC s otvorenom petljom. Glavna razlika je prisutnost enkodera, koji omogućuje pogonu s promjenjivom frekvencijom da razvije 200% početni moment pri 0 o/min. Ova točka je jednostavno neophodna za stvaranje početnog trenutka prilikom kretanja s dizala, dizalica i drugih strojeva za podizanje, kako bi se spriječilo slijeganje tereta.

Prisutnost senzora povratne informacije o brzini omogućuje povećanje vremena odziva sustava na više od 50 Hz, kao i proširenje raspona kontrole brzine na 1:1500. Također, prisutnost povratne informacije omogućuje vam kontrolu ne brzine električnog stroja, već okretnog momenta. U nekim mehanizmima, vrijednost zakretnog momenta je od velike važnosti. Na primjer, stroj za namatanje, mehanizmi začepljenja i drugi. U takvim uređajima potrebno je regulirati okretni moment stroja.

• Tutorial

- Što je vektorska kontrola?
- Održavajte struju na 90 stupnjeva.

Pojam “vektorsko upravljanje” elektromotora poznat je svima koji su se barem donekle zanimali za pitanje upravljanja AC motorom pomoću mikrokontrolera. Međutim, obično je u bilo kojoj knjizi o električnim pogonima poglavlje o vektorskom upravljanju negdje pri kraju, a sastoji se od gomile dlakavih formula s referencama na sva ostala poglavlja knjige. Zašto uopće ne želite razumjeti ovo pitanje? Čak i najjednostavnija objašnjenja još uvijek prolaze kroz jednadžbe diferencijalne ravnoteže, vektorske dijagrame i hrpu druge matematike. Zbog toga se pojavljuju pokušaji poput ovog da se nekako upali motor bez korištenja hardvera. Ali u stvari, vektorska kontrola je vrlo jednostavna ako razumijete princip njenog rada "na prstima". A onda će biti zabavnije baviti se formulama ako je potrebno.

Princip rada sinkronog stroja

Razmotrimo princip rada najjednostavnijeg AC motora - sinkronog stroja s trajnim magnetom. Zgodan primjer je kompas: njegova magnetska igla je rotor sinkronog stroja, a Zemljino magnetsko polje je magnetsko polje statora. Bez vanjskog opterećenja (a u kompasu ga nema, osim trenja i tekućine koja prigušuje oscilacije igle), rotor je uvijek orijentiran duž polja statora. Ako držimo kompas i okrećemo Zemlju ispod njega, igla će se vrtjeti zajedno s njim, radeći miješanje tekućine unutar kompasa. Ali postoji malo jednostavniji način - možete uzeti vanjski magnet, na primjer, u obliku šipke s polovima na krajevima, čije je polje mnogo jače od magnetskog polja Zemlje, prinijeti ga kompasu odozgo i okrenite magnet. Strelica će se kretati prateći rotirajuće magnetsko polje. U pravom sinkronom motoru polje statora stvaraju elektromagneti - zavojnice sa strujom. Krugovi namota tamo su složeni, ali princip je isti - oni stvaraju magnetsko polje sa statorom, usmjereno u željenom smjeru i ima potrebnu amplitudu. Pogledajmo sljedeću sliku (Slika 1). U sredini je magnet - rotor sinkronog motora ("strelica" kompasa), a sa strane su dva elektromagneta - zavojnice, od kojih svaki stvara svoje magnetsko polje, jedan u okomitoj osi, drugi u horizontali.

Slika 1. Princip rada sinkronog električnog stroja

Magnetski tok zavojnice proporcionalan je struji u njoj (u prvoj aproksimaciji). Zanimat će nas magnetski tok od statora na mjestu gdje se nalazi rotor, tj. u središtu slike (zanemarujemo rubne efekte, raspršenje i sve ostalo). Magnetski tokovi dviju okomito postavljenih zavojnica zbrajaju se vektorski, tvoreći jedan zajednički tok za interakciju s rotorom. Ali budući da je tok proporcionalan struji u zavojnici, pogodno je crtati strujne vektore izravno, poravnavajući ih s tokom. Slika prikazuje neke struje ja α I ja β, stvarajući magnetske tokove duž α odnosno β osi. Ukupni vektor struje statora Je stvara suusmjereni magnetski tok statora. Oni. zapravo Je simbolizira vanjski magnet koji smo donijeli na kompas, ali stvoren elektromagnetima - zavojnicama s strujom.
Na slici se rotor nalazi u proizvoljnom položaju, ali će iz tog položaja rotor težiti rotaciji prema magnetskom toku statora, tj. vektorom Je(položaj rotora u ovom slučaju prikazan je isprekidanom linijom). Prema tome, ako struju primijenite samo na fazu α , recimo ja α= 1A, rotor će stajati vodoravno, a ako je u β, okomito, a ako primijenite ja β= -1 I onda će se okrenuti za 180 stupnjeva. Ako dovodite struju ja α prema zakonu sinusa, i ja β prema zakonu kosinusa vremena stvorit će se okretno magnetsko polje. Rotor će ga pratiti i vrtjeti (kao što igla kompasa prati rotaciju magneta rukom). To je osnovni princip rada sinkronog stroja, u ovom slučaju dvofaznog stroja s jednim parom pluseva.
Nacrtajmo graf momenta motora ovisno o kutnom položaju osovine rotora i vektoru struje Je stator – kutna karakteristika sinkronog motora. Ova ovisnost je sinusna (slika 2).

Slika 2. Kutna karakteristika sinkronog stroja (ovdje postoji određena povijesna zbrka s predznacima momenta i kuta, zbog čega se karakteristika često crta obrnuto u odnosu na horizontalnu os).

Da biste dobili ovaj grafikon u praksi, možete staviti senzor zakretnog momenta na osovinu rotora, zatim uključiti bilo koji vektor struje, na primjer, jednostavno primijeniti struju na fazu α. Rotor će se okretati u odgovarajući položaj, koji se mora uzeti kao nula. Zatim, preko senzora momenta, morate okrenuti rotor "ručno", fiksirajući kut na grafikonu u svakoj točki θ , koji je bio okrenut, i trenutak koji je senzor pokazao. Oni. morate rastegnuti "magnetsku oprugu" motora kroz senzor momenta. Najveći moment bit će pod kutom od 90 stupnjeva od trenutnog vektora (od početka). Amplituda rezultirajućeg maksimalnog momenta Mmax proporcionalna je amplitudi primijenjenog vektora struje. Ako primijenimo 1A, dobijemo recimo M max = 1 N∙m (njutn*metar, mjerna jedinica momenta), ako primijenimo 2A, dobijemo M max = 2 N∙m.

Iz ove karakteristike proizlazi da motor razvija najveći moment kada je rotor pod kutom od 90° u odnosu na vektor struje. Budući da pri kreiranju upravljačkog sustava na mikrokontroleru želimo dobiti najveći moment od motora uz minimalne gubitke, a gubici su prije svega struja u namotima, najracionalnije je uvijek postaviti struju vektor pod 90° u odnosu na magnetsko polje rotora, tj. okomito na magnet na slici 1. Sve trebamo promijeniti obrnuto - rotor se ne kreće prema vektoru struje koji smo postavili, nego uvijek postavljamo vektor struje na 90° u odnosu na rotor, bez obzira kako se on tu vrtio , tj. “prikovati” strujni vektor na rotor. Moment motora regulirat ćemo amplitudom struje. Što je veća amplituda, veći je moment. Ali frekvencija rotacije, frekvencija struje u namotima više nije "naša" stvar - što se događa, kako se rotor okreće, tako će i biti - mi kontroliramo moment na osovini. Začudo, to je upravo ono što se zove vektorska kontrola - kada kontroliramo vektor struje statora tako da je pod 90° u odnosu na magnetsko polje rotora. Iako neki udžbenici daju šire definicije, do točke da se vektorska kontrola općenito odnosi na sve zakone kontrole u koje su uključeni "vektori", ali obično se vektorska kontrola odnosi upravo na gornju metodu kontrole.

Izgradnja strukture vektorskog upravljanja

Ali kako se kontrola vektora postiže u praksi? Očito, prvo morate znati položaj rotora kako biste imali s čime mjeriti 90° u odnosu. Najlakši način da to učinite je ugradnjom samog senzora položaja na osovinu rotora. Zatim morate smisliti kako stvoriti strujni vektor, održavajući željene struje u fazama α I β . Na motor dovodimo napon, a ne struju... Ali pošto želimo nešto poduprijeti, moramo to izmjeriti. Stoga će vam za vektorsko upravljanje trebati senzori fazne struje. Zatim morate sastaviti vektorsku upravljačku strukturu u obliku programa na mikrokontroleru koji će učiniti ostalo. Kako ovo objašnjenje ne bi izgledalo kao uputa o tome "kako nacrtati sovu", nastavimo s ronjenjem.
Možete održavati struju pomoću mikrokontrolera pomoću softverskog PI (proporcionalno-integralnog) regulatora struje i PWM-a. Na primjer, dolje je prikazana struktura s regulatorom struje za jednu fazu α (slika 3).

Slika 3. Struktura zatvorene regulacije za jednu fazu

Ovdje je trenutna postavka i α_natrag– određena konstanta, struja koju želimo održati za ovu fazu, npr. 1A. Zadatak se šalje trenutnom zbrajaču regulatora, čija je otkrivena struktura prikazana gore. Ako čitatelj ne zna kako radi PI regulator, onda jao. Mogu samo nešto od ovoga preporučiti. Regulator izlazne struje postavlja fazni napon U α. Napon se dovodi u PWM blok, koji izračunava postavke radnog ciklusa (postavke usporedbe) za PWM tajmere mikrokontrolera, generirajući PWM na premosnom pretvaraču od četiri prekidača za generiranje ovog U α. Algoritam može biti drugačiji, na primjer, za pozitivni napon PWM desnog regala proporcionalan je postavci napona, donji prekidač je zatvoren lijevo, za negativni PWM lijevi, donji prekidač je zatvoren desno. Ne zaboravite dodati mrtvo vrijeme! Kao rezultat, takva struktura čini softver "izvorom struje" nauštrb izvora napona: postavljamo vrijednost koja nam je potrebna i α_natrag, a ova ga struktura implementira određenom brzinom.

Nadalje, možda su neki čitatelji već pomislili da je struktura vektorske kontrole samo mala stvar - trebate instalirati dva regulatora struje, po jedan regulator za svaku fazu, i formirati zadatak na njima ovisno o kutu od senzora položaja rotora ( RPS), tj. napravite nešto poput ove strukture (slika 4):

Slika 4. Netočna (naivna) struktura vektorske kontrole

Ne možeš to učiniti. Kada se rotor okreće, varijable i α_natrag I i β_natrag bit će sinusoidna, tj. zadatak sadašnjih regulatora stalno će se mijenjati. Brzina kontrolera nije beskonačna, pa kad se zadatak promijeni, ne obrađuje ga odmah. Ako se zadatak stalno mijenja, tada će ga regulator uvijek sustići, nikad ga ne dostići. A kako se brzina vrtnje motora povećava, zaostatak stvarne struje od zadane bit će sve veći i veći, sve dok željeni kut od 90° između struje i magneta rotora ne prestane uopće biti sličan njoj, a vektor kontrola prestaje biti takva. Zato to rade drugačije. Ispravna struktura je sljedeća (slika 5):

Slika 5. Struktura upravljanja vektorskim senzorom za dvofazni sinkroni stroj

Ovdje su dodana dva bloka - BKP_1 i BKP_2: blokovi transformacije koordinata. Rade vrlo jednostavnu stvar: rotiraju ulazni vektor za zadani kut. Štoviše, BOD_1 se pretvara u + ϴ , i BKP_2 na - ϴ . To je sva razlika među njima. U stranoj literaturi nazivaju se Park transformacije. BKP_2 izvodi transformaciju koordinata za struje: od fiksnih osi α I β , vezan za stator motora, za rotacijske osi d I q, vezan za rotor motora (koristeći kut položaja rotora ϴ ). A BKP_1 čini obrnutu transformaciju, od postavljanja napona duž osi d I qčini prijelaz na osi α I β . Ne dajem nikakve formule za pretvorbu koordinata, ali su jednostavne i vrlo ih je lako pronaći. Zapravo, nema ništa kompliciranije od školske geometrije (slika 6):

Slika 6. Transformacije koordinata s fiksnih osi α i β, vezanih na stator motora, na rotacijske osi. d I q, vezan za rotor

To jest, umjesto da se "rotiraju" postavke regulatora (kao što je bio slučaj u prethodnoj strukturi), njihovi ulazi i izlazi se okreću, a sami regulatori rade u statičkom načinu rada: struje d, q a izlazi regulatora u ustaljenom stanju su konstantni. Osovine d I q okreću zajedno s rotorom (jer ih okreće signal senzora položaja rotora), dok regulator osi q regulira upravo onu struju koju sam na početku članka nazvao “okomito na polje rotora”, odnosno to je struja koja stvara moment, a struja d je poravnat s "magnetom rotora", pa nam ne treba i postavljamo ga na nulu. Ova struktura lišena je mane prve strukture - sadašnji regulatori niti ne znaju da se negdje nešto vrti. Rade u statičkom režimu: podesili su svaku svoju struju, postigli zadani napon - i to je to, kao i rotor, ne bježite od njih, oni ni ne znaju za to: sav posao okretanja se vrši blokovima transformacije koordinata.

Da biste objasnili "na prstima", možete dati neku analogiju.

Za linijski promet neka to bude npr. gradski autobus. Stalno ubrzava, pa usporava, pa ide unatrag i uglavnom se ponaša kako hoće: to je rotor motora. Također, nalazite se u automobilu u blizini, vozite paralelno: vaš zadatak je biti točno u sredini autobusa: "drži 90°", vi ste regulatori struje. Ako autobus cijelo vrijeme mijenja brzinu, i vi biste trebali mijenjati brzinu u skladu s tim i pratiti je cijelo vrijeme. Ali sada ćemo za vas napraviti "vektorsku kontrolu". Popeli ste se u autobus, stali u sredinu i uhvatili se za rukohvat - poput autobusa, nemojte bježati, lako ćete se nositi sa zadatkom "biti u sredini autobusa". Slično tome, strujni regulatori, koji se "kotrljaju" u rotirajućim osima d, q rotora, žive lagodan život.

Gornja struktura zapravo radi i koristi se u modernim električnim pogonima. Jedino mu nedostaje čitava hrpa malih "poboljšanja", bez kojih više nije uobičajeno raditi, kao što su kompenzacija za križne veze, razna ograničenja, slabljenje polja itd. Ali ovo je osnovni princip.

A ako trebate regulirati ne pogonski moment, već brzinu (ispravnu kutnu brzinu, frekvenciju vrtnje)? Pa onda ugrađujemo još jedan PI regulator - regulator brzine (RS). Na ulazu primjenjujemo naredbu brzine, a na izlazu imamo naredbu momenta. Budući da je osna struja q je proporcionalan okretnom momentu, a zatim da se pojednostavi, izlaz regulatora brzine može se dovesti izravno na ulaz regulatora struje osi q, ovako (slika 7):

Slika 7. Regulator brzine za vektorsko upravljanje
Ovdje SI, regulator intenziteta, glatko mijenja svoj učinak tako da motor ubrzava željenim tempom i ne vozi punom strujom dok se brzina ne postavi. Trenutna brzina ω preuzeto iz rukovatelja senzorom položaja rotora, budući da ω ovo je derivacija kutnog položaja ϴ . Pa, ili jednostavno možete izmjeriti vrijeme između impulsa senzora...

Kako učiniti isto za trofazni motor? Pa, zapravo, ništa posebno, dodamo još jedan blok i promijenimo PWM modul (slika 8).

Slika 8. Struktura upravljanja vektorskim senzorom za trofazni sinkroni stroj

Trofazne struje, baš kao i dvofazne, služe jednoj svrsi - stvaranju vektora struje statora Je, usmjeren u željenom smjeru i sa željenom amplitudom. Stoga se trofazne struje mogu jednostavno pretvoriti u dvofazne, a zatim ostaviti isti upravljački sustav koji je već sastavljen za dvofazni stroj. U engleskoj literaturi se takvo “preračunavanje” naziva Clarkeova transformacija (ona je Edith Clarke), kod nas se zove fazna transformacija. U strukturi na slici 8, prema tome, ovu operaciju izvodi blok fazne transformacije. Ponovno se rade pomoću školskog tečaja geometrije (slika 9):

Slika 9. Pretvorbe faza - iz tri faze u dvije. Radi praktičnosti, pretpostavljamo da je amplituda vektora I s jednaka amplitudi struje u fazi

Mislim da komentari nisu potrebni. Nekoliko riječi o struji faze C. Tu nema potrebe postavljati strujni senzor jer su tri faze motora spojene u zvijezdu, a prema Kirchhoffovom zakonu sve što teče kroz dvije faze mora istjecati iz treći (osim, naravno, ako nema rupe u izolaciji vašeg motora, a pola nije iscurilo negdje na kućište), stoga se struja faze C izračunava kao skalarni zbroj struja faza A i B s znak minus. Iako se ponekad ugrađuje treći senzor kako bi se smanjila pogreška mjerenja.

Također je potrebna potpuna prerada PWM modula. Obično se trofazni pretvarač sa šest prekidača koristi za trofazne motore. Na slici naredba za napon još uvijek stiže u dvofaznim osima. Unutar PWM modula, pomoću obrnutih faznih transformacija, to se može pretvoriti u napone faza A, B, C, koji se moraju primijeniti na motor u ovom trenutku. Ali što dalje... Opcije su moguće. Naivna metoda je postaviti radni ciklus za svaki stalak pretvarača proporcionalan željenom naponu plus 0,5. To se zove sinusni PWM. Upravo ovu metodu koristio je autor u habrahabr.ru/post/128407. Sve je dobro u ovoj metodi, osim što će ova metoda nedovoljno iskoristiti pretvarač napona - tj. maksimalni napon koji će se dobiti bit će manji od onoga što biste mogli dobiti da ste koristili napredniju PWM metodu.

Izračunajmo. Neka imate klasični pretvarač frekvencije, napajan industrijskom trofaznom mrežom 380V 50Hz. Ovdje je 380 V linearni (između faza) efektivni napon. Budući da pretvarač sadrži ispravljač, on će ispraviti ovaj napon i istosmjerna sabirnica će imati napon jednak amplitudnom linearnom naponu, tj. 380∙√2=540V DC napon (bar bez opterećenja). Ako u PWM modulu primijenimo sinusoidni algoritam izračuna, tada će amplituda maksimalnog faznog napona koju možemo postići biti jednaka polovici napona na DC sabirnici, tj. 540/2=270V. Pretvorimo u efektivnu fazu: 270/√2=191V. A sada na strujni linear: 191∙√3=330V. Sada možemo usporediti: 380V je došlo, ali 330V je izašlo ... I ne možete učiniti ništa drugo s ovom vrstom PWM-a. Da bi se riješio ovaj problem, koristi se takozvani vektorski PWM. Njegov izlaz će opet biti 380V (idealno, bez uzimanja u obzir svih padova napona). Vektorska PWM metoda nema nikakve veze s vektorskim upravljanjem elektromotora. Samo što njegovo obrazloženje opet koristi malu školsku geometriju, pa se zato i zove vektor. No, njegov se rad ne može objasniti na prstima, pa ću čitatelja uputiti na knjige (na kraju članka) ili na Wikipediju. Mogu vam dati i sliku koja malo nagovještava razliku u radu sinusoidnog i vektorskog PWM-a (Slika 10):

Slika 10. Promjena faznih potencijala za skalarni i vektorski PWM

Vrste senzora položaja

Usput, koji se senzori položaja koriste za vektorsku kontrolu? Postoje četiri vrste senzora koji se najčešće koriste. To su kvadraturni inkrementalni koder, koder baziran na Hall elementima, koder apsolutnog položaja i sinkroni koder.
Kvadraturni koder ne označava apsolutni položaj rotora - svojim impulsima samo vam omogućuje da odredite koliko ste putovali, ali ne i gdje i odakle (kako su početak i kraj povezani s lokacijom magneta rotora). Stoga nije prikladan za vektorsko upravljanje sinkronog stroja. Njegova referentna oznaka (indeks) malo spašava situaciju - postoji samo jedna po mehaničkom okretaju, ako dođete do nje, tada postaje poznata apsolutna pozicija, a iz nje već možete računati koliko ste vozili pomoću kvadraturnog signala. Ali kako doći do ove oznake na početku rada? Općenito, ovo nije uvijek prikladno.
Senzor Hallovog elementa- Ovo je grubi senzor. Proizvodi samo nekoliko impulsa po okretaju (ovisno o broju Hallovih elemenata; za trofazne motore obično ima tri, tj. šest impulsa), što vam omogućuje da znate položaj u apsolutnoj vrijednosti, ali s malom točnošću. Preciznost je obično dovoljna da se zadrži kut vektora struje tako da se motor barem kreće naprijed, a ne unatrag, ali moment i struje će pulsirati. Ako je motor ubrzao, tada možete početi programski ekstrapolirati signal sa senzora tijekom vremena - tj. konstruirati linearno promjenjivi kut iz grubog diskretnog kuta. To se radi na temelju pretpostavke da se motor vrti približno konstantnom brzinom, otprilike ovako (slika 11):

Slika 11. Rad senzora položaja Hallovog elementa za trofazni stroj i ekstrapolacija njegovog signala

Često se za servo motore koristi kombinacija enkodera i Hallovog senzora. U ovom slučaju, možete napraviti jedan softverski modul za njihovu obradu, eliminirajući nedostatke oba: izvršite gornju ekstrapolaciju kuta, ali ne prema vremenu, već prema oznakama kodera. Oni. Koder radi unutar Hallovog senzora od ruba do ruba, a svaki Hallov rub jasno inicijalizira trenutni apsolutni kutni položaj. U ovom slučaju, samo će prvi pokret pogona biti neoptimalan (ne na 90°), sve dok ne dosegne neku prednju stranu Hallovog senzora. Poseban problem u ovom slučaju je obrada neidealnosti oba senzora - rijetko tko rasporedi Hallove elemente simetrično i ravnomjerno...

U još skupljim aplikacijama koje koriste apsolutni koder s digitalnim sučeljem (koderom apsolutne vrijednosti), koji odmah daje apsolutnu poziciju i omogućuje izbjegavanje gore opisanih problema.

Ako je električni motor jako vruć, a također i kada je potrebna veća točnost mjerenja kuta, koristite "analogni" sinkroni senzor(rezolver, rotirajući transformator). Ovo je mali električni stroj koji se koristi kao senzor. Zamislimo da u sinkronom stroju koji smo razmatrali na slici 1. umjesto magneta postoji još jedna zavojnica na koju dovodimo visokofrekventni signal. Ako je rotor vodoravan, tada će se signal inducirati samo u zavojnici faznog statora α , ako je okomito - onda samo u β , ako ga okreneš za 180 promijenit će se faza signala, au međupoložajima se inducira i tamo i tamo po sinusno/kosinusnom zakonu. Prema tome, mjerenjem amplitude signala u dva svitka, položaj se može odrediti i iz omjera ove amplitude i faznog pomaka. Instaliranjem takvog stroja kao senzora na glavni, možete saznati položaj rotora.
Postoji mnogo više egzotičnih senzora položaja, posebno za ultra-visoke precizne primjene kao što je izrada elektroničkih čipova. Tu se koriste bilo kakve fizikalne pojave samo da bi se što točnije saznala pozicija. Nećemo ih razmatrati.

Pojednostavljivanje vektorskog upravljanja

Kao što razumijete, vektorsko upravljanje je prilično zahtjevno - dajte mu senzore položaja, strujne senzore, PWM vektorsko upravljanje i nema mikrokontrolera za izračunavanje sve ove matematike. Stoga je za jednostavne primjene pojednostavljen. Za početak, možete eliminirati senzor položaja postavljanjem vektorske kontrole bez senzora. Da biste to učinili, upotrijebite malo više matematičke magije koja se nalazi u žutom pravokutniku (slika 12):

Slika 12. Struktura vektorske kontrole bez senzora

Promatrač je blok koji prima informacije o naponu primijenjenom na motor (na primjer, od posla na PWM modulu) io strujama u motoru od senzora. Unutar promatrača nalazi se model elektromotora koji, grubo rečeno, pokušava svoje struje u statoru prilagoditi onima izmjerenima iz stvarnog motora. Ako je uspjela, onda možemo pretpostaviti da položaj rotora simuliranog unutar osovine također koincidira sa stvarnim i može se koristiti za potrebe vektorskog upravljanja. Pa, ovo je, naravno, potpuno pojednostavljeno. Postoji bezbroj vrsta ovakvih promatrača. Svaki apsolvent specijaliziran za elektromotorne pogone pokušava izmisliti svoj, koji je nekako bolji od drugih. Osnovni princip je praćenje EMF elektromotora. Stoga, najčešće, sustav upravljanja bez senzora radi samo pri relativno visokim brzinama vrtnje, gdje je EMF velik. Također ima niz nedostataka u usporedbi s prisutnošću senzora: trebate znati parametre motora, brzina pogona je ograničena (ako se brzina rotacije naglo promijeni, promatrač možda neće imati vremena pratiti je i „lagati“ ” neko vrijeme ili se čak potpuno “raspasti”), postavljanje promatrača je cijeli postupak; za njegov kvalitetan rad potrebno je točno znati napon na motoru, točno izmjeriti njegove struje itd.

Postoji još jedna mogućnost pojednostavljenja. Na primjer, možete napraviti takozvano "automatsko prebacivanje". U ovom slučaju, za trofazni motor, oni napuštaju složenu PWM metodu, napuštaju složenu vektorsku strukturu i počinju jednostavno uključivati ​​faze motora pomoću senzora položaja na Hall elementima, čak ponekad i bez ikakvog ograničenja struje. Struja u fazama nije sinusna, već trapezoidna, pravokutna ili još više iskrivljena. Ali pokušavaju osigurati da je prosječni strujni vektor još uvijek na 90 stupnjeva u odnosu na "magnet rotora" odabirom trenutka kada su faze uključene. Istodobno, uključivanjem faze pod naponom, nije poznato kada će se struja povećati u fazi motora. Pri maloj brzini rotacije to čini brže, pri velikoj brzini, gdje EMF stroja ometa, to čini sporije; brzina povećanja struje također ovisi o induktivitetu motora itd. Stoga, čak i uključujući faze u točno pravo vrijeme, uopće nije činjenica da će prosječni strujni vektor biti na pravom mjestu i s pravom fazom - može napredovati ili kasniti u odnosu na optimalnih 90 stupnjeva. Stoga se u takvim sustavima uvodi postavka "naprijed preklapanja" - u biti samo vrijeme, koliko ranije napon treba primijeniti na fazu motora, tako da na kraju faza vektora struje bude bliža 90 stupnjeva. Jednostavno rečeno, to se zove "postavljanje vremena". Budući da struja u elektromotoru tijekom autokomutacije nije sinusoidna, onda ako uzmete sinusoidalni stroj o kojem je gore bilo riječi i upravljate njime na ovaj način, okretni moment na osovini će pulsirati. Stoga se u motorima dizajniranim za autokomutaciju magnetska geometrija rotora i statora često mijenja na poseban način kako bi bili prikladniji za ovu vrstu upravljanja: EMF takvih strojeva je trapezoidan, zbog čega bolje rade u način autokomutacije. Sinkroni strojevi optimizirani za autokomutaciju nazivaju se istosmjerni motori bez četkica (BLDC) ili na engleskom BLDC (Brushless Direct Current Motor). Način rada s automatskom komutacijom često se naziva i način rada ventila, a motori koji rade s njim su ventilskog tipa. Ali to su sve samo različiti nazivi koji ni na koji način ne utječu na bit (ali iskusni operateri električnih pogona često pate od CPGS-a u stvarima vezanim uz ova imena). Postoji dobar video koji ilustrira princip rada takvih strojeva. Prikazuje invertirani motor, s rotorom izvana i statorom iznutra:

Ali postoji niz članaka o takvim motorima i hardveru upravljačkog sustava.

Možete ići na još veće pojednostavljenje. Zamijenite namote tako da je jedna faza uvijek "slobodna" i da se na nju ne primjenjuje PWM. Tada je moguće izmjeriti EMF (napon induciran u faznom svitku), a kada taj napon prođe kroz nulu, koristiti to kao signal sa senzora položaja rotora, jer faza ovog induciranog napona ovisi upravo o položaju rotor. To rezultira automatskom komutacijom bez senzora, koja se široko koristi u raznim jednostavnim pogonima, na primjer, u "regulatorima" za propelere modela zrakoplova. Mora se imati na umu da se EMF stroja pojavljuje samo pri relativno visokoj brzini vrtnje, stoga, za pokretanje, takvi sustavi upravljanja jednostavno polako kruže kroz faze, nadajući se da će rotor motora pratiti isporučenu struju. Čim se pojavi EMF, aktivira se način auto-komutacije. Stoga sustav bez senzora (tako jednostavan, a najčešće i složen) nije prikladan za zadatke u kojima motor mora biti u stanju razviti okretni moment pri brzinama blizu nule, na primjer, za vučni pogon automobila (ili njegovog modela) , servo pogon nekog mehanizma itd. P. Ali sustav bez senzora uspješno je prikladan za pumpe i ventilatore, gdje se koristi.

Ali ponekad čine još veća pojednostavljenja. Možete potpuno napustiti mikrokontroler, tipke, senzore položaja i druge stvari prebacivanjem faza posebnim mehaničkim prekidačem (slika 13):

Slika 13. Mehanička sklopka za preklapanje namota

Prilikom rotacije, sam rotor mijenja svoje dijelove namota, mijenjajući napon koji se na njih primjenjuje, dok u rotoru teče izmjenična struja. Komutator je postavljen na takav način da je magnetski tok rotora i statora ponovno blizu 90 stupnjeva kako bi se postigao maksimalni moment. Takve motore naivno nazivamo istosmjernim motorima, ali potpuno nezasluženo: unutra, nakon kolektora, struja je još uvijek izmjenična!

Zaključak

Svi električni strojevi rade na sličan način. U teoriji električnih pogona postoji čak i koncept "generaliziranog električnog stroja", na koji se svodi rad drugih. “Praktična” objašnjenja prikazana u članku ni na koji način ne mogu poslužiti kao praktični vodič za pisanje koda mikrokontrolera. U članku se dobro raspravlja o postotku informacija koje su potrebne za provedbu stvarne vektorske kontrole. Da bi se nešto radilo u praksi, potrebno je, prvo, poznavati TAU, barem na razini razumijevanja rada PI regulatora. Zatim još trebate proučiti matematički opis i sinkronog stroja i sinteze vektorskog upravljanja. Također proučite vektorski PWM, saznajte što su parovi polova, upoznajte se s vrstama namota stroja itd. To se može učiniti u najnovijoj knjizi “Anuchin A.S. MPEI, 2015”, kao i u “Kalachev N. Vektorska regulacija (napomene iz prakse)”. Čitatelja treba upozoriti da ne ulazi u formule "starih" udžbenika o pogonima, gdje je glavni naglasak na razmatranju karakteristika elektromotora kada se napajaju izravno iz trofazne industrijske mreže, bez ikakvih mikrokontrolera i senzora položaja. Ponašanje motora u ovom slučaju opisano je složenim formulama i ovisnostima, ali za problem vektorskog upravljanja oni gotovo da nemaju nikakve koristi (ako se samo proučavaju za samorazvoj). Posebno treba biti oprezan s preporukama starih udžbenika, gdje se, na primjer, kaže da sinkroni stroj ne bi trebao raditi s maksimalnim momentom, jer je rad tamo nestabilan i prijeti prevrtanje - sve su to "loši savjeti". ” za vektorsku kontrolu.

Na kojem mikrokontroleru možete napraviti punopravno vektorsko upravljanje, pročitajte, na primjer, u našem članku Novi domaći mikrokontroler za upravljanje motorom K1921VK01T JSC NIIET, a kako ga otkloniti u članku Metode za otklanjanje pogrešaka softvera mikrokontrolera u električnom pogonu. Posjetite i našu web stranicu: konkretno, tamo su objavljena dva dosadna videa koji u praksi pokazuju kako postaviti PI strujni regulator, kao i kako funkcionira strujno zatvorena i vektorska upravljačka struktura bez senzora. Osim toga, možete kupiti komplet za otklanjanje pogrešaka s gotovom strukturom vektorske kontrole senzora na domaćem mikrokontroleru.

Nastavak članka, koji govori o asinkronim motorima.

p.s.
Ispričavam se stručnjacima na ne sasvim ispravnom rukovanju nekim pojmovima, posebice pojmovima "tok", "fluks veza", "magnetsko polje" i drugima - jednostavnost zahtijeva žrtvu...

Oznake: Dodajte oznake

Vektorska kontrola

Vektorska kontrola je metoda upravljanja sinkronim i asinkronim motorima, ne samo generirajući harmonijske struje (napone) faza (skalarno upravljanje), već također osiguravajući kontrolu magnetskog toka rotora. Prve implementacije principa vektorskog upravljanja i algoritama visoke preciznosti zahtijevaju korištenje senzora položaja (brzine) rotora.

Općenito, pod " vektorska kontrola" odnosi se na interakciju upravljačkog uređaja s tzv. "prostornim vektorom", koji se vrti s frekvencijom polja motora.

Matematički aparat vektorskog upravljanja

Zaklada Wikimedia. 2010.

Pogledajte što je "Vektorska kontrola" u drugim rječnicima:

Paus papir s njim. Vektorregelung. Metoda upravljanja brzinom vrtnje i/ili momentom elektromotora korištenjem utjecaja pretvarača električnog pogona na vektorske komponente struje statora elektromotora. U literaturi na ruskom jeziku u ... Wikipedia

Rješenje problema optimalnog upravljanja matematičke teorije, u kojem je upravljačko djelovanje u=u(t) oblikovano u obliku funkcije vremena (pritom se pretpostavlja da tijekom procesa nema drugih informacija osim onih koje su dane na samom početak ulazi u sustav... ... Matematička enciklopedija

- (frequency controlled drive, PNC, Variable Frequency Drive, VFD) sustav za upravljanje brzinom rotora asinkronog (ili sinkronog) elektromotora. Sastoji se od samog elektromotora i pretvarača frekvencije... Wikipedia

Ovaj izraz ima druga značenja, pogledajte CNC (značenja). Predlaže se spajanje ove stranice s CNC-om. Obrazloženje razloga i rasprava na stranici Wikipedije: Prema ujedinjenju/25 f... Wikipedia

Stator i rotor asinkronog stroja 0,75 kW, 1420 o/min, 50 Hz, 230-400 V, 3,4 2,0 ​​A Asinkroni stroj je električni stroj izmjenične struje ... Wikipedia

- (DPR) dio elektromotora. U kolektorskim elektromotorima senzor položaja rotora je četkasta kolektorska jedinica, koja je ujedno i strujna sklopka. Kod elektromotora bez četkica senzor položaja rotora može biti različitih tipova... Wikipedia

DS3 DS3 010 Osnovni podaci Država izgradnje ... Wikipedia

Asinkroni stroj je električni stroj izmjenične struje, čija brzina rotora nije jednaka (manja od) brzine vrtnje magnetskog polja koje stvara struja namota statora. Asinkroni strojevi najčešći su električni... ... Wikipedia

Ovaj izraz ima i druga značenja, pogledajte Frekvencijski pretvarač. Ovaj bi članak trebao biti Wikificiran. Molimo da ga formatirate prema pravilima za oblikovanje članaka... Wikipedia

DS3 ... Wikipedia

knjige

• Vektorsko upravljanje asinkronim elektromotorima koji štedi energiju: pregled stanja i novi rezultati: Monografija, Borisevich A.V. Monografija je posvećena metodama povećanja energetske učinkovitosti vektorskog upravljanja asinkronim elektromotorima. Razmatran je model asinkronog elektromotora i princip vektorskog...