idea principale controllo vettorialeè controllare non solo l'entità e la frequenza della tensione di alimentazione, ma anche la fase. In altre parole, la grandezza e l'angolo del vettore spaziale sono controllati. Il controllo vettoriale ha prestazioni più elevate rispetto a. Il controllo vettoriale elimina quasi tutti gli svantaggi del controllo scalare.

Vantaggi del controllo vettoriale:
• elevata precisione del controllo della velocità;
• avvio regolare e rotazione regolare del motore su tutta la gamma di frequenze;
• risposta rapida alle variazioni di carico: al variare del carico non si verifica praticamente alcuna variazione di velocità;
• maggiore range di controllo e precisione di controllo;
• le perdite dovute al riscaldamento e alla magnetizzazione sono ridotte e .

Gli svantaggi del controllo vettoriale includono:
• la necessità di impostare parametri;
• grandi fluttuazioni di velocità a carico costante;
• elevata complessità computazionale.

Schema funzionale generale del controllo vettoriale

Lo schema a blocchi generale di un sistema di controllo della velocità CA ad alte prestazioni è mostrato nella figura sopra. La base del circuito è il circuito di collegamento del flusso magnetico e di controllo della coppia insieme ad un'unità di valutazione, che può essere implementata in vari modi. In questo caso, il circuito di controllo della velocità esterno è in gran parte unificato e genera segnali di controllo per i regolatori di coppia M * e il collegamento del flusso magnetico Ψ * (tramite l'unità di controllo del flusso). La velocità del motore può essere misurata da un sensore (velocità/posizione) o ottenuta tramite uno stimatore che ne consenta l'implementazione.

Classificazione dei metodi di controllo dei vettori

A partire dagli anni settanta del XX secolo sono stati proposti numerosi metodi di controllo della coppia. Non tutti sono ampiamente utilizzati nell'industria. Pertanto, in questo articolo vengono illustrati solo i metodi di gestione più diffusi. I metodi di controllo della coppia discussi sono presentati per sistemi di controllo con forza elettromotrice sinusoidale.

I metodi di controllo della coppia esistenti possono essere classificati in vari modi.

Molto spesso, i metodi di controllo della coppia sono suddivisi nei seguenti gruppi:
• regolatori lineari (PI, PID);
• regolatori non lineari (isteresi).

Metodo di controllo			Intervallo di controllo della velocità	Errore di velocità 3,%	Tempo di salita della coppia, ms	Coppia di spunto	Prezzo	Descrizione
			1:10 1	5-10	Non disponibile	Corto	Molto basso	Ha una risposta lenta ai cambiamenti di carico e un intervallo di controllo della velocità ridotto, ma è facile da implementare.
			>1:200 2	0		Alto	Alto	Consente di controllare in modo fluido e rapido i principali parametri del motore: coppia e velocità. Affinché questo metodo funzioni, sono necessarie informazioni sulla posizione del rotore.
			>1:200 2	0		Alto	Alto	Un metodo ibrido pensato per unire i vantaggi di...
			>1:200 2	0		Alto	Alto	Ha un'elevata dinamica e un circuito semplice, ma una caratteristica del suo funzionamento sono le ondulazioni di corrente elevata e di coppia.
			>1:200 2	0		Alto	Alto	Ha una frequenza di commutazione dell'inverter inferiore rispetto ad altri metodi ed è progettato per ridurre le perdite durante il controllo di motori elettrici ad alta potenza.

Nota:

1. Nessun feedback.
2. Con feedback.
3. In stato stazionario

Tra i controlli vettoriali i più utilizzati sono (FOC - controllo ad orientamento di campo) e (DTC - controllo diretto di coppia).

Regolatori di coppia lineari

I controller di coppia lineari funzionano in combinazione con la modulazione dell'ampiezza dell'impulso (PWM) della tensione. I regolatori determinano il vettore di tensione dello statore richiesto mediato sul periodo di campionamento. Il vettore di tensione viene infine sintetizzato con il metodo PWM; nella maggior parte dei casi viene utilizzata la modulazione del vettore spaziale (SVM). A differenza dei circuiti di controllo della coppia non lineari, in cui i segnali vengono elaborati utilizzando valori istantanei, nei circuiti di controllo della coppia lineare, un controller lineare (PI) funziona con valori medi sul periodo di campionamento. Pertanto, la frequenza di campionamento può essere ridotta da 40 kHz nei circuiti di controllo della coppia non lineare a 2-5 kHz nei circuiti di controllo della coppia lineare.

Controllo orientato al campo

Controllo orientato al campo(POA, inglese field oriented control, FOC) è un metodo di controllo che controlla una corrente alternata senza spazzole (,) come una macchina a corrente continua con eccitazione indipendente, il che implica che il campo e può essere controllato separatamente.

Il controllo ad orientamento di campo, proposto nel 1970 da Blaschke e Hasse, si basa su un'analogia con il controllo a commutazione meccanica. In questo motore, gli avvolgimenti di campo e di armatura sono separati, il collegamento del flusso è controllato dalla corrente di campo e la coppia è controllata in modo indipendente dalla regolazione della corrente. Pertanto, il collegamento di flusso e le correnti di coppia sono separati elettricamente e magneticamente.

Schema funzionale generale del controllo sensorless ad orientamento di campo 1

D'altra parte, i motori CA senza spazzole ( , ) hanno molto spesso un avvolgimento dello statore trifase e il vettore della corrente dello statore I s viene utilizzato per controllare sia il flusso che la coppia. Pertanto, la corrente di campo e la corrente di armatura fusi nel vettore della corrente dello statore e non possono essere controllati separatamente. La disconnessione può essere ottenuta matematicamente - scomponendo il valore istantaneo del vettore della corrente statorica I s in due componenti: la componente longitudinale della corrente statorica I sd (creazione del campo) e la componente trasversale della corrente statorica I sq (creazione della coppia) in un sistema di coordinate dq rotante orientato lungo il campo del rotore (R -FOC – controllo orientato al flusso del rotore) - immagine sopra. Pertanto, il controllo di un motore CA brushless diventa identico al controllo e può essere ottenuto utilizzando un inverter PWM con un regolatore PI lineare e una modulazione della tensione vettoriale spaziale.

Nel controllo ad orientamento di campo, la coppia e il campo sono controllati indirettamente controllando le componenti vettoriali della corrente dello statore.

I valori istantanei delle correnti statoriche vengono convertiti nel sistema di coordinate rotanti dq utilizzando la trasformazione di Park αβ/dq, che richiede anche informazioni sulla posizione del rotore. Il campo è controllato attraverso la componente di corrente longitudinale I sd , mentre la coppia è controllata attraverso la componente di corrente trasversale I sq . La trasformata di Park inversa (dq/αβ), un modulo matematico di trasformazione delle coordinate, permette di calcolare le componenti di riferimento del vettore tensione V sα * e V sβ * .

Per determinare la posizione del rotore viene utilizzato un sensore di posizione del rotore installato nel motore elettrico oppure un algoritmo di controllo sensorless implementato nel sistema di controllo, che calcola le informazioni sulla posizione del rotore in tempo reale sulla base dei dati disponibili nel sistema di controllo.

Nella figura seguente è mostrato uno schema a blocchi del controllo diretto della coppia con modulazione vettoriale spaziale con regolazione della coppia e del collegamento di flusso con feedback operante in un sistema di coordinate rettangolare orientato lungo il campo dello statore. Le uscite dei regolatori PI di coppia e di collegamento del flusso vengono interpretate come componenti di riferimento della tensione statorica V ψ * e V M * nel sistema di coordinate dq orientato lungo il campo dello statore (controllo statorico orientato al flusso in inglese, S-FOC). Questi comandi (tensioni costanti) vengono poi convertiti in un sistema di coordinate fisse αβ, dopo di che i valori di controllo V sα * e V sβ * vengono inviati al modulo di modulazione del vettore spaziale.

Schema funzionale del controllo diretto di coppia con modulazione di tensione vettoriale spaziale

Si tenga presente che questo circuito può essere considerato come un controllo semplificato dello statore ad orientamento di campo (S-FOC) senza anello di controllo della corrente oppure come un circuito classico (PUM-TV, tabella di commutazione inglese DTC, ST DTC) in cui la tabella di commutazione è sostituito da un modulatore (SVM) e il controller di coppia e flusso con isteresi sono sostituiti da controller PI lineari.

Nel controllo diretto della coppia con modulazione vettoriale spaziale (DTC-FCM), la coppia e il collegamento del flusso sono controllati direttamente in un anello chiuso, pertanto è necessaria una stima accurata del flusso e della coppia del motore. A differenza del classico algoritmo di isteresi, funziona con una frequenza di commutazione costante. Ciò migliora significativamente le prestazioni del sistema di controllo: riduce le pulsazioni di coppia e di flusso, consentendo di avviare con sicurezza il motore e di funzionare a basse velocità. Allo stesso tempo, però, le caratteristiche dinamiche della trasmissione vengono ridotte.

Controllori di coppia non lineari

Il gruppo presentato di controllori di coppia parte dall'idea di trasformazione e controllo delle coordinate per analogia con un motore DC con spazzole, che ne costituisce la base. I regolatori non lineari propongono di sostituire il controllo separato con il controllo continuo (isteresi), che corrisponde all'ideologia di funzionamento (on-off) dei dispositivi a semiconduttore dell'inverter.

Rispetto al controllo ad orientamento di campo, gli schemi di controllo diretto della coppia presentano le seguenti caratteristiche:

Vantaggi:
• schema di controllo semplice;
• non sono presenti circuiti di corrente né controllo in corrente continua;
• nessuna trasformazione delle coordinate richiesta;
• non esiste una modulazione di tensione separata;
• nessun sensore di posizione richiesto;
• buona dinamica.

Screpolatura:
• è necessaria una valutazione accurata del vettore e della coppia del collegamento del flusso magnetico dello statore;
• forti pulsazioni di coppia e corrente dovute al regolatore non lineare (isteresi) e alla frequenza di commutazione variabile degli interruttori;
• rumore ad ampio spettro dovuto alla frequenza di commutazione variabile.

Controllo diretto della coppia

Il metodo di controllo diretto della coppia con una tabella di inclusione è stato descritto per la prima volta da Takahashi e Noguchi in un articolo IEEJ presentato nel settembre 1984 e successivamente in un articolo IEEE pubblicato nel settembre 1986. La progettazione del metodo classico di controllo diretto della coppia (DTC) è molto più semplice di quella del metodo di controllo sul campo (), poiché non richiede la trasformazione dei sistemi di coordinate e la misurazione della posizione del rotore. Il diagramma del metodo di controllo diretto della coppia (figura sotto) contiene uno stimatore di coppia e flusso statorico, comparatori di coppia e flusso con isteresi, una tabella di commutazione e un inverter.

Principio del metodo controllo diretto della coppia consiste nella scelta di un vettore di tensione per il controllo simultaneo sia della coppia che del flusso statorico. Le correnti statoriche misurate e le tensioni dell'inverter vengono utilizzate per stimare il collegamento del flusso e la coppia. I valori stimati del collegamento del flusso dello statore e della coppia vengono confrontati con i segnali di controllo del collegamento del flusso dello statore ψ s * e della coppia del motore M *, rispettivamente, attraverso un comparatore di isteresi. Il vettore di tensione di controllo del motore richiesto viene selezionato dalla tabella di inclusione in base agli errori di collegamento del flusso digitalizzato d Ψ e alla coppia d M generati dai comparatori di isteresi, nonché in base al settore di posizione del vettore di collegamento del flusso dello statore ottenuto in base alla sua posizione angolare . Pertanto, gli impulsi SA, S B e SC per il controllo degli interruttori di potenza dell'inverter vengono generati selezionando un vettore dalla tabella.

Classico circuito di controllo diretto della coppia con tabella di commutazione con sensore di velocità

Esistono molte varianti del circuito classico progettate per migliorare l'avviamento, le condizioni di sovraccarico, il funzionamento a velocità molto basse, ridurre l'ondulazione della coppia, funzionare a frequenze di commutazione variabili e ridurre i livelli di rumore.

Lo svantaggio del metodo classico di controllo diretto della coppia è la presenza di elevate ondulazioni di corrente anche in condizioni stazionarie. Il problema viene eliminato aumentando la frequenza operativa dell'inverter sopra i 40 kHz, il che aumenta il costo complessivo del sistema di controllo.

Autogoverno diretto

Una domanda di brevetto per il metodo di autogoverno diretto fu depositata da Depenbrock nell'ottobre 1984. Di seguito è riportato lo schema a blocchi dell’autogoverno diretto.

Sulla base dei comandi del concatenamento statorico ψ s * e delle componenti di fase della corrente ψ sA , ψ sB e ψ sC , i comparatori di flusso concatenato generano segnali digitali d A , d B e d C , che corrispondono agli stati di tensione attiva (V 1 –V6). Il regolatore di coppia isteretico dispone di un segnale di uscita d M che determina gli stati zero. Pertanto, il regolatore del collegamento del flusso dello statore imposta l'intervallo di tempo degli stati di tensione attivi che spostano il vettore del collegamento del flusso dello statore lungo un determinato percorso e il regolatore di coppia determina l'intervallo di tempo degli stati di tensione zero che mantengono la coppia del motore elettrico entro una tolleranza campo determinato dall'isteresi.

Schema di autogoverno diretto

Gli elementi caratteristici dello schema di autogoverno diretto sono:
• forme non sinusoidali di flusso concatenato e corrente statorica;
• il vettore di collegamento del flusso statorico si muove lungo una traiettoria esagonale;
• non c'è riserva di tensione di alimentazione, le capacità dell'inverter sono completamente utilizzate;
• la frequenza di commutazione dell'inverter è inferiore a quella del controllo diretto di coppia con tabella di commutazione;
• eccellente dinamica nelle gamme di campo costante e indebolito.

Si noti che le prestazioni del metodo di autocontrollo diretto possono essere riprodotte utilizzando un circuito con un'ampiezza di isteresi del flusso del 14%.

- Cos'è il controllo vettoriale?
- Mantenere la corrente a 90 gradi.

Il termine "controllo vettoriale" dei motori elettrici è familiare a chiunque sia almeno un po' interessato alla questione di come controllare un motore CA utilizzando un microcontrollore. Tuttavia, di solito in qualsiasi libro sugli azionamenti elettrici il capitolo sul controllo vettoriale si trova da qualche parte verso la fine, costituito da un mucchio di formule pelose con riferimenti a tutti gli altri capitoli del libro. Perché non vuoi capire affatto questo problema? E anche le spiegazioni più semplici passano attraverso equazioni di equilibrio differenziale, diagrammi vettoriali e un mucchio di altra matematica. Per questo motivo, tentativi come questo sembrano in qualche modo accendere il motore senza utilizzare l'hardware. Ma in realtà il controllo vettoriale è molto semplice se si comprende il principio del suo funzionamento “sulle dita”. E poi sarà più divertente occuparsi delle formule, se necessario.

Principio di funzionamento di una macchina sincrona

Consideriamo il principio di funzionamento del motore CA più semplice: una macchina sincrona a magnete permanente. Un esempio conveniente è una bussola: il suo ago magnetico è il rotore di una macchina sincrona, e il campo magnetico terrestre è il campo magnetico dello statore. Senza carico esterno (e non ce n'è nella bussola, tranne l'attrito e il fluido che smorza le oscillazioni dell'ago), il rotore è sempre orientato lungo il campo dello statore. Se teniamo una bussola e ruotiamo la Terra sotto di essa, l'ago girerà insieme ad essa, facendo lavoro per mescolare il liquido all'interno della bussola. Ma esiste un modo leggermente più semplice: puoi prendere un magnete esterno, ad esempio, sotto forma di un'asta con poli alle estremità, il cui campo è molto più forte del campo magnetico terrestre, portarlo alla bussola dall'alto e ruotare il magnete. La freccia si muoverà seguendo il campo magnetico rotante. In un vero motore sincrono, il campo dello statore è creato da elettromagneti: bobine con corrente. I circuiti di avvolgimento sono complessi, ma il principio è lo stesso: creano un campo magnetico con lo statore, diretto nella direzione desiderata e con l'ampiezza richiesta. Osserviamo la figura seguente (Figura 1). Al centro c'è un magnete - il rotore di un motore sincrono (la "freccia" della bussola), e ai lati ci sono due elettromagneti - bobine, ciascuno dei quali crea il proprio campo magnetico, uno nell'asse verticale, l'altro in orizzontale.

Figura 1. Principio di funzionamento di una macchina elettrica sincrona

Il flusso magnetico della bobina è proporzionale alla corrente in essa contenuta (in prima approssimazione). Saremo interessati al flusso magnetico dallo statore nel luogo in cui si trova il rotore, ad es. al centro dell'immagine (trascuriamo gli effetti di bordo, la dispersione e tutto il resto). I flussi magnetici di due bobine posizionate perpendicolarmente vengono sommati vettorialmente, formando un flusso comune per l'interazione con il rotore. Ma poiché il flusso è proporzionale alla corrente nella bobina, è conveniente disegnare direttamente i vettori di corrente, allineandoli al flusso. La figura mostra alcune correnti Io α E Io β, creando flussi magnetici lungo gli assi α e β, rispettivamente. Vettore corrente totale dello statore È crea un flusso magnetico dello statore co-diretto. Quelli. Infatti È simboleggia il magnete esterno che abbiamo portato alla bussola, ma creato da elettromagneti - bobine con corrente.
Nella figura il rotore si trova in una posizione arbitraria, ma da questa posizione il rotore tenderà a ruotare secondo il flusso magnetico dello statore, cioè per vettore È(la posizione del rotore in questo caso è indicata dalla linea tratteggiata). Di conseguenza, se si applica corrente solo alla fase α , diciamo Io α= 1A, il rotore rimarrà in posizione orizzontale e, se in β, in verticale e, se applicato Io β= -1 E poi si girerà di 180 gradi. Se fornisci corrente Io α secondo la legge del seno, e Io β secondo la legge del coseno del tempo, verrà creato un campo magnetico rotante. Il rotore lo seguirà e girerà (come l'ago di una bussola segue manualmente la rotazione di un magnete). Questo è il principio di base di funzionamento di una macchina sincrona, in questo caso una macchina bifase con una coppia di vantaggi.
Disegniamo un grafico della coppia del motore in base alla posizione angolare dell'albero del rotore e al vettore corrente È statore – caratteristica angolare di un motore sincrono. Questa dipendenza è sinusoidale (Figura 2).

Figura 2. Caratteristica angolare di una macchina sincrona (qui c'è una certa confusione storica con i segni di momento e angolo, motivo per cui la caratteristica è spesso disegnata invertita rispetto all'asse orizzontale).

Per ottenere questo grafico in pratica, è possibile posizionare un sensore di coppia sull'albero del rotore, quindi attivare qualsiasi vettore di corrente, ad esempio applicando semplicemente corrente alla fase α. Il rotore ruoterà nella posizione appropriata, che deve essere considerata zero. Successivamente, tramite il sensore di coppia, è necessario far girare “a mano” il rotore, fissando l'angolo sul grafico in ogni punto θ , che è stato girato e il momento in cui il sensore ha mostrato. Quelli. è necessario allungare la “molla magnetica” del motore attraverso il sensore di coppia. Il momento più grande si troverà ad un angolo di 90 gradi rispetto al vettore corrente (dall'inizio). L'ampiezza della coppia massima risultante Mmax è proporzionale all'ampiezza del vettore di corrente applicata. Se si applica 1A si ottiene, ad esempio, M max = 1 N∙m (newton*metro, unità di misura della coppia), se si applica 2A si ottiene M max = 2 N∙m.

Da questa caratteristica ne consegue che il motore sviluppa la coppia maggiore quando il rotore è a 90° rispetto al vettore di corrente. Poiché, quando si crea un sistema di controllo su un microcontrollore, vogliamo ottenere la coppia più alta dal motore con un minimo di perdite e le perdite, prima di tutto, sono la corrente negli avvolgimenti, è più razionale impostare sempre la corrente vettore a 90° rispetto al campo magnetico del rotore, cioè perpendicolare al magnete nella Figura 1. Dobbiamo cambiare tutto al contrario: il rotore non si muove verso il vettore corrente che abbiamo impostato, ma impostiamo sempre il vettore corrente a 90° rispetto al rotore, non importa come ruota lì , cioè. "inchiodare" il vettore corrente al rotore. Regoleremo la coppia del motore in base all'ampiezza della corrente. Maggiore è l'ampiezza, maggiore è la coppia. Ma la frequenza di rotazione, la frequenza della corrente negli avvolgimenti non sono più affari “nostri” - cosa succede, come ruota il rotore, così sarà - controlliamo la coppia sull'albero. Stranamente, questo è esattamente ciò che viene chiamato controllo vettoriale: quando controlliamo il vettore della corrente dello statore in modo che sia a 90° rispetto al campo magnetico del rotore. Sebbene alcuni libri di testo diano definizioni più ampie, al punto che il controllo vettoriale si riferisce generalmente a qualsiasi legge di controllo in cui sono coinvolti i “vettori”, ma solitamente il controllo vettoriale si riferisce proprio al metodo di controllo sopra menzionato.

Costruire una struttura di controllo vettoriale

Ma come si ottiene in pratica il controllo vettoriale? Ovviamente prima bisogna conoscere la posizione del rotore in modo da avere qualcosa rispetto al quale misurare 90°. Il modo più semplice per farlo è installare il sensore di posizione stesso sull'albero del rotore. Quindi è necessario capire come creare un vettore corrente, mantenendo le correnti desiderate in fasi α E β . Applichiamo tensione al motore, non corrente... Ma poiché vogliamo sostenere qualcosa, dobbiamo misurarlo. Pertanto, per il controllo vettoriale saranno necessari sensori di corrente di fase. Successivamente è necessario assemblare una struttura di controllo vettoriale sotto forma di programma su un microcontrollore che farà il resto. Affinché questa spiegazione non sembri un'istruzione su "come disegnare un gufo", continuiamo l'immersione.
È possibile mantenere la corrente con il microcontrollore utilizzando un regolatore di corrente software PI (proporzionale-integrale) e PWM. Di seguito, ad esempio, è mostrata una struttura con un regolatore di corrente per una fase α (Figura 3).

Figura 3. Struttura di controllo corrente chiusa per una fase

Ecco l'impostazione attuale io α_indietro– una certa costante, la corrente che vogliamo mantenere per questa fase, ad esempio 1A. L'attività viene inviata al sommatore del regolatore di corrente, la cui struttura descritta è mostrata sopra. Se il lettore non sa come funziona il controller PI, allora ahimè. Posso solo consigliarne alcuni. Il regolatore di corrente in uscita imposta la tensione di fase Uα. La tensione viene fornita al blocco PWM, che calcola le impostazioni del ciclo di lavoro (impostazioni di confronto) per i timer PWM del microcontrollore, generando PWM su un inverter a ponte di quattro interruttori per generare questo Uα. L'algoritmo può essere diverso, ad esempio, per tensione positiva il PWM del rack destro è proporzionale alla tensione impostata, l'interruttore inferiore è chiuso a sinistra, per PWM negativo quello sinistro, l'interruttore inferiore è chiuso a destra. Non dimenticare di aggiungere i tempi morti! Di conseguenza, una tale struttura rende il software una “sorgente di corrente” a scapito di una sorgente di tensione: impostiamo il valore di cui abbiamo bisogno io α_indietro, e questa struttura lo implementa con una certa velocità.

Inoltre, forse alcuni lettori hanno già pensato che la struttura del controllo vettoriale è solo una piccola cosa: è necessario installare due regolatori di corrente, un regolatore per ciascuna fase, e formare un compito su di essi a seconda dell'angolo dal sensore di posizione del rotore ( RPS), cioè ad es. creare qualcosa di simile a questa struttura (Figura 4):

Figura 4. Struttura di controllo vettoriale errata (ingenua).

Non puoi farlo. Quando il rotore ruota, le variabili io α_indietro E io β_indietro sarà sinusoidale, cioè il compito degli attuali regolatori cambierà continuamente. La velocità del controller non è infinita, quindi quando l'attività cambia, non la elabora immediatamente. Se il compito viene costantemente modificato, il regolatore lo raggiungerà sempre, senza mai raggiungerlo. E man mano che la velocità di rotazione del motore aumenta, il ritardo della corrente reale rispetto a quella data diventerà sempre più grande, fino a quando l'angolo desiderato di 90° tra la corrente e il magnete del rotore cesserà di essere simile ad esso, e il vettore il controllo cessa di essere tale. Ecco perché lo fanno diversamente. La struttura corretta è la seguente (Figura 5):

Figura 5. Struttura di controllo del sensore vettoriale per una macchina sincrona bifase

Qui sono stati aggiunti due blocchi: BKP_1 e BKP_2: blocchi di trasformazioni di coordinate. Fanno una cosa molto semplice: ruotano il vettore di input di un dato angolo. Inoltre, BOD_1 diventa + ϴ e BKP_2 su - ϴ . Questa è tutta la differenza tra loro. Nella letteratura straniera vengono chiamate trasformazioni del parco. BKP_2 esegue la trasformazione delle coordinate per le correnti: da assi fissi α E β , legati allo statore del motore, agli assi rotanti D E Q, legato al rotore del motore (utilizzando l'angolo di posizione del rotore ϴ ). E BKP_1 effettua la trasformazione inversa, impostando la tensione lungo gli assi D E Q effettua la transizione agli assi α E β . Non fornisco alcuna formula per convertire le coordinate, ma sono semplici e molto facili da trovare. In realtà, non c’è niente di più complicato della geometria scolastica (Figura 6):

Figura 6. Trasformazioni di coordinate dagli assi fissi α e β, legati allo statore del motore, agli assi rotanti. D E Q, legato al rotore

Cioè, invece di “ruotare” le impostazioni dei regolatori (come avveniva nella struttura precedente), i loro ingressi e uscite ruotano, e i regolatori stessi funzionano in modalità statica: le correnti D, Q e le uscite dei controller in stato stazionario sono costanti. Assi D E Q ruotare insieme al rotore (poiché vengono ruotati da un segnale proveniente dal sensore di posizione del rotore), mentre il regolatore dell'asse Q regola esattamente la corrente che all'inizio dell'articolo ho chiamato “perpendicolare al campo del rotore”, cioè è una corrente generatrice di coppia, e la corrente Dè allineato con il “magnete del rotore”, quindi non ci serve e lo impostiamo uguale a zero. Questa struttura è esente dallo svantaggio della prima struttura: gli attuali regolatori non sanno nemmeno che qualcosa sta girando da qualche parte. Funzionano in modalità statica: hanno regolato ciascuna delle loro correnti, hanno raggiunto la tensione specificata - e basta, come il rotore, non scappare da loro, non se ne accorgeranno nemmeno: tutto il lavoro di rotazione viene eseguita tramite blocchi di trasformazione delle coordinate.

Per spiegare “sulle dita” si può fare qualche analogia.

Per il traffico lineare, lascia che sia, ad esempio, un autobus urbano. Accelera costantemente, poi rallenta, poi torna indietro e generalmente si comporta come vuole: è il rotore di un motore. Inoltre siete in macchina lì vicino, guidate in parallelo: il vostro compito è stare esattamente al centro dell'autobus: “mantenete 90°”, voi siete i regolatori attuali. Se l'autobus cambia continuamente velocità, dovresti anche cambiare la velocità di conseguenza e monitorarla continuamente. Ma ora faremo il “controllo vettoriale” per te. Sei salito sull'autobus, ti sei messo in mezzo e ti sei aggrappato al corrimano - come l'autobus, non scappare, puoi facilmente affrontare il compito di "essere in mezzo all'autobus". Allo stesso modo, i regolatori di corrente, “rotolando” negli assi rotanti d, q del rotore, vivono vita facile.

La struttura di cui sopra funziona effettivamente e viene utilizzata nei moderni azionamenti elettrici. Mancano solo tutta una serie di piccoli “miglioramenti”, senza i quali non è più consuetudine realizzarli, come la compensazione per le connessioni trasversali, varie restrizioni, l’indebolimento del campo, ecc. Ma questo è il principio base.

E se fosse necessario regolare non la coppia motrice, ma comunque la velocità (la velocità angolare corretta, la frequenza di rotazione)? Bene, allora installiamo un altro controller PI: un controller di velocità (RS). Applichiamo un comando di velocità all'ingresso e in uscita abbiamo un comando di coppia. Poiché la corrente dell'asse Qè proporzionale alla coppia, quindi per semplificare l'uscita del regolatore di velocità può essere alimentata direttamente all'ingresso del regolatore di corrente dell'asse Q, in questo modo (Figura 7):

Figura 7. Regolatore di velocità per il controllo vettoriale
Qui l'SI, il regolatore dell'intensità, cambia gradualmente la sua potenza in modo che il motore acceleri al ritmo desiderato e non guidi a piena corrente finché non viene impostata la velocità. Velocità attuale ω preso dal gestore del sensore di posizione del rotore, da allora ω questa è la derivata della posizione angolare ϴ . Bene, oppure puoi semplicemente misurare il tempo tra gli impulsi del sensore...

Come fare lo stesso per un motore trifase? Beh, in realtà niente di speciale, aggiungi un altro blocco e cambia il modulo PWM (Figura 8).

Figura 8. Struttura di controllo del sensore vettoriale per macchina sincrona trifase

Le correnti trifase, proprio come quelle bifase, hanno uno scopo: creare un vettore di corrente dello statore È, diretto nella direzione desiderata e avente l'ampiezza desiderata. Pertanto, le correnti trifase possono essere semplicemente convertite in bifase e quindi lasciare lo stesso sistema di controllo già assemblato per una macchina bifase. Nella letteratura in lingua inglese, un tale “ricalcolo” si chiama trasformazione di Clarke (Edith Clarke è lei), nel nostro paese si chiama trasformazioni di fase. Nella struttura di figura 8 ciò avviene pertanto tramite il blocco di trasformazione di fase. Si ripetono utilizzando il corso di geometria scolastica (Figura 9):

Figura 9. Conversioni di fase: da tre fasi a due. Per comodità assumiamo che l'ampiezza del vettore I s sia uguale all'ampiezza della corrente nella fase

Penso che non siano necessari commenti. Qualche parola sulla corrente della fase C. Non è necessario installare lì un sensore di corrente, poiché le tre fasi del motore sono collegate a stella e, secondo la legge di Kirchhoff, tutto ciò che scorre attraverso due fasi deve uscire da la terza (a meno che, ovviamente, non ci sia un buco nell'isolamento del motore e la metà non abbia perdite da qualche parte nell'alloggiamento), quindi la corrente della fase C viene calcolata come la somma scalare delle correnti delle fasi A e B con a segno meno. Sebbene a volte venga installato un terzo sensore per ridurre l'errore di misurazione.

È inoltre necessaria una rielaborazione completa del modulo PWM. Tipicamente, per i motori trifase viene utilizzato un inverter trifase a sei interruttori. Nella figura il comando di tensione arriva ancora negli assi bifase. All'interno del modulo PWM, mediante trasformazioni di fase inversa, questa può essere convertita in tensioni delle fasi A, B, C, che in questo momento devono essere applicate al motore. Ma cosa fare dopo... Le opzioni sono possibili. Un metodo ingenuo consiste nell'impostare un ciclo di lavoro per ciascun rack di inverter proporzionale alla tensione desiderata più 0,5. Questo è chiamato PWM onda sinusoidale. Questo è esattamente il metodo utilizzato dall'autore in habrahabr.ru/post/128407. Tutto va bene in questo metodo, tranne per il fatto che questo metodo sottoutilizzerà l'inverter di tensione, ad es. la tensione massima che si otterrà sarà inferiore a quella che si potrebbe ottenere utilizzando un metodo PWM più avanzato.

Facciamo i conti. Ti permettono di avere un classico convertitore di frequenza, alimentato da una rete industriale trifase 380V 50Hz. Qui 380 V è la tensione effettiva lineare (tra le fasi). Poiché il convertitore contiene un raddrizzatore, raddrizzerà questa tensione e il bus CC avrà una tensione pari all'ampiezza della tensione lineare, ovvero 380∙√2=540V tensione continua (almeno senza carico). Se applichiamo un algoritmo di calcolo sinusoidale nel modulo PWM, l'ampiezza della tensione di fase massima che possiamo ottenere sarà pari alla metà della tensione sul bus CC, ad es. 540/2=270V. Convertiamo in fase effettiva: 270/√2=191V. E ora passiamo all'attuale lineare: 191∙√3=330V. Ora possiamo fare un confronto: sono entrati 380 V, ma sono usciti 330 V... E non puoi fare nient'altro con questo tipo di PWM. Per correggere questo problema, viene utilizzato il cosiddetto tipo vettoriale PWM. La sua uscita sarà nuovamente di 380 V (idealmente, senza tenere conto di tutte le cadute di tensione). Il Vector PWM non ha nulla a che fare con il controllo vettoriale di un motore elettrico. È solo che la sua logica utilizza ancora una volta un po' di geometria scolastica, ed è per questo che si chiama vettore. Tuttavia, il suo lavoro non può essere spiegato con le dita, quindi rimanderò il lettore ai libri (alla fine dell'articolo) o a Wikipedia. Posso anche darti un'immagine che suggerisce leggermente la differenza nel funzionamento del PWM sinusoidale e vettoriale (Figura 10):

Figura 10. Variazione dei potenziali di fase per PWM scalare e vettoriale

Tipi di sensori di posizione

A proposito, quali sensori di posizione vengono utilizzati per il controllo vettoriale? Esistono quattro tipi di sensori più comunemente utilizzati. Si tratta di un encoder incrementale in quadratura, un encoder basato su elementi Hall, un encoder di posizione assoluta e un encoder sincrono.
Codificatore di quadratura non indica la posizione assoluta del rotore: con i suoi impulsi consente solo di determinare la distanza percorsa, ma non dove e da dove (come l'inizio e la fine sono correlati alla posizione del magnete del rotore). Pertanto non è adatto per il controllo vettoriale di una macchina sincrona. Il suo segno di riferimento (indice) salva un po 'la situazione: ce n'è solo uno per giro meccanico, se lo raggiungi, allora la posizione assoluta diventa nota, e da essa puoi già contare quanto hai guidato utilizzando un segnale di quadratura. Ma come arrivare a questo traguardo all'inizio dei lavori? In generale, questo non è sempre scomodo.
Sensore elemento Hall- Questo è un sensore approssimativo. Produce solo pochi impulsi per giro (a seconda del numero di elementi Hall; per i motori trifase solitamente sono tre, cioè sei impulsi), consentendo di conoscere la posizione in valore assoluto, ma con scarsa precisione. La precisione è solitamente sufficiente per mantenere l'angolo del vettore corrente in modo che il motore almeno si muova in avanti e non indietro, ma la coppia e le correnti pulsano. Se il motore ha accelerato, puoi iniziare a estrapolare programmaticamente il segnale dal sensore nel tempo, ad es. costruire un angolo linearmente variabile a partire da un angolo discreto approssimativo. Ciò viene fatto presupponendo che il motore ruoti a velocità approssimativamente costante, qualcosa del genere (Figura 11):

Figura 11. Funzionamento di un sensore di posizione dell'elemento Hall per una macchina trifase ed estrapolazione del suo segnale

Spesso per i servomotori viene utilizzata una combinazione di encoder e sensore ad effetto Hall. In questo caso è possibile creare un unico modulo software per elaborarli, eliminando gli svantaggi di entrambi: eseguire l'estrapolazione dell'angolo sopra indicata, ma non in base al tempo, ma in base ai segni dell'encoder. Quelli. Un encoder opera all'interno del sensore Hall da un bordo all'altro e ciascun bordo Hall inizializza chiaramente la posizione angolare assoluta attuale. In questo caso solo il primo movimento dell'azionamento sarà non ottimale (non a 90°), finché non raggiungerà qualche parte anteriore del sensore di Hall. Un problema a parte in questo caso è l'elaborazione delle non idealità di entrambi i sensori: raramente qualcuno dispone gli elementi Hall in modo simmetrico e uniforme...

In applicazioni ancora più costose che utilizzano codificatore assoluto dotato di interfaccia digitale (encoder assoluto), che fornisce immediatamente la posizione assoluta e permette di evitare i problemi sopra descritti.

Se il motore elettrico è molto caldo, e anche quando è richiesta una maggiore precisione nella misurazione dell'angolo, utilizzare "analogico" sensore sincrono(resolver, trasformatore rotante). Questa è una piccola macchina elettrica utilizzata come sensore. Immagina che nella macchina sincrona considerata nella Figura 1, al posto dei magneti, ci sia un'altra bobina alla quale applichiamo un segnale ad alta frequenza. Se il rotore è orizzontale, il segnale verrà indotto solo nella bobina dello statore di fase α , se verticale, quindi solo dentro β , se lo si gira di 180, la fase del segnale cambia, e nelle posizioni intermedie viene indotto sia qua che là secondo la legge seno/coseno. Di conseguenza, misurando l'ampiezza del segnale in due bobine, è possibile determinare la posizione anche dal rapporto tra questa ampiezza e lo sfasamento. Installando una macchina del genere come sensore su quella principale, puoi scoprire la posizione del rotore.
Esistono molti altri sensori di posizione esotici, soprattutto per applicazioni ad altissima precisione come la produzione di chip elettronici. Lì, qualsiasi fenomeno fisico viene utilizzato solo per scoprire la posizione nel modo più accurato possibile. Non li considereremo.

Semplificazione del controllo vettoriale

Come hai capito, il controllo vettoriale è piuttosto impegnativo: fornisci sensori di posizione, sensori di corrente, controllo vettoriale PWM e nessun microcontrollore per calcolare tutta questa matematica. Pertanto, per applicazioni semplici è semplificato. Per cominciare, è possibile eliminare il sensore di posizione effettuando il controllo vettoriale sensorless. Per fare ciò, usa un po' più di magia matematica, situata nel rettangolo giallo (Figura 12):

Figura 12. Struttura di controllo vettoriale sensorless

Un osservatore è un blocco che riceve informazioni sulla tensione applicata al motore (ad esempio, da un lavoro su un modulo PWM) e sulle correnti nel motore dai sensori. All'interno dell'osservatore c'è un modello di motore elettrico che, grosso modo, cerca di adattare le sue correnti nello statore a quelle misurate da un motore reale. Se ci riesce, allora possiamo supporre che anche la posizione del rotore simulata all'interno dell'albero coincida con quella reale e possa essere utilizzata per esigenze di controllo vettoriale. Bene, questo è, ovviamente, completamente semplificato. Esistono innumerevoli tipi di osservatori come questi. Ogni studente laureato specializzato in azionamenti elettrici cerca di inventarne uno proprio, che in qualche modo è migliore degli altri. Il principio di base è il monitoraggio della FEM del motore elettrico. Pertanto, molto spesso, un sistema di controllo sensorless è operativo solo a velocità di rotazione relativamente elevate, dove la FEM è elevata. Presenta anche una serie di svantaggi rispetto alla presenza di un sensore: è necessario conoscere i parametri del motore, la velocità di guida è limitata (se la velocità di rotazione cambia bruscamente, l'osservatore potrebbe non avere il tempo di seguirla e "mentire" " per un po 'di tempo, o addirittura "andare in pezzi" completamente), impostare un osservatore è un'intera procedura; per il suo funzionamento di alta qualità, è necessario conoscere esattamente la tensione sul motore, misurare accuratamente le sue correnti, ecc.

C'è un'altra opzione di semplificazione. Ad esempio, puoi eseguire la cosiddetta “commutazione automatica”. In questo caso, per un motore trifase, abbandonano il complesso metodo PWM, abbandonano la complessa struttura vettoriale e iniziano semplicemente ad accendere le fasi del motore utilizzando un sensore di posizione sugli elementi Hall, anche a volte senza alcuna limitazione di corrente. La corrente nelle fasi non è sinusoidale, ma trapezoidale, rettangolare o ancor più distorta. Ma cercano di assicurarsi che il vettore di corrente medio sia ancora a 90 gradi rispetto al “magnete del rotore” scegliendo il momento in cui le fasi vengono attivate. Allo stesso tempo, accendendo la fase sotto tensione, non si sa quando aumenterà la corrente nella fase del motore. A bassa velocità di rotazione lo fa più velocemente, ad alta velocità, dove interferisce la forza elettromotrice della macchina, lo fa più lentamente; la velocità di aumento della corrente dipende anche dall'induttanza del motore, ecc. Pertanto, anche includendo le fasi esattamente al momento giusto, non è affatto un dato di fatto che il vettore di corrente medio si troverà nel posto giusto e con la fase giusta: può avanzare o ritardare rispetto ai 90 gradi ottimali. Pertanto, in tali sistemi, viene introdotta un'impostazione di "anticipo di commutazione" - essenzialmente solo il tempo, quanto prima la tensione deve essere applicata alla fase del motore, in modo che alla fine la fase del vettore corrente sia più vicina a 90 gradi. In poche parole, questo si chiama “impostare i tempi”. Poiché la corrente in un motore elettrico durante l'autocommutazione non è sinusoidale, se si prende la macchina sinusoidale discussa sopra e la si controlla in questo modo, la coppia sull'albero pulsa. Pertanto, nei motori progettati per l'autocommutazione, la geometria magnetica del rotore e dello statore viene spesso modificata in modo speciale per renderli più adatti a questo tipo di controllo: la FEM di tali macchine è resa trapezoidale, per cui funzionano meglio in modalità di autocommutazione. Le macchine sincrone ottimizzate per l'autocommutazione sono chiamate motori brushless a corrente continua (BLDC) o in inglese BLDC (Brushless Direct Current Motor). La modalità di commutazione automatica è spesso chiamata anche modalità valvola e i motori che funzionano con essa sono del tipo a valvola. Ma questi sono solo nomi diversi che non influiscono in alcun modo sull'essenza (ma gli operatori esperti di motori elettrici spesso soffrono di CPGS in questioni relative a questi nomi). C'è un buon video che illustra il principio di funzionamento di tali macchine. Mostra un motore invertito, con il rotore all'esterno e lo statore all'interno:

Ma c'è una serie di articoli su tali motori e sull'hardware del sistema di controllo.

Puoi optare per una semplificazione ancora maggiore. Commutare gli avvolgimenti in modo che una fase sia sempre “libera” e ad essa non venga applicato alcun PWM. Successivamente è possibile misurare la FEM (tensione indotta nella bobina di fase), e quando questa tensione passa per lo zero, utilizzarla come segnale proveniente dal sensore di posizione del rotore, perché la fase di questa tensione indotta dipende proprio dalla posizione della bobina rotore. Ciò si traduce in un'autocommutazione senza sensori, ampiamente utilizzata in vari azionamenti semplici, ad esempio nei "regolatori" per le eliche di modellini di aerei. Va ricordato che l'EMF della macchina appare solo a una velocità di rotazione relativamente elevata, quindi, per iniziare, tali sistemi di controllo semplicemente eseguono un ciclo lento attraverso le fasi, sperando che il rotore del motore segua la corrente fornita. Non appena appare l'EMF, viene attivata la modalità di commutazione automatica. Pertanto, un sistema sensorless (così semplice, e molto spesso anche complesso) non è adatto per compiti in cui il motore deve essere in grado di sviluppare coppia a velocità prossime allo zero, ad esempio per la trazione di un'auto (o del suo modello) , un servoazionamento di qualche meccanismo, ecc. P. Ma il sistema sensorless è adatto con successo per pompe e ventilatori, dove viene utilizzato.

Ma a volte fanno semplificazioni ancora maggiori. Puoi abbandonare completamente il microcontrollore, i tasti, i sensori di posizione e altre cose cambiando fase con uno speciale interruttore meccanico (Figura 13):

Figura 13. Interruttore meccanico per la commutazione degli avvolgimenti

Durante la rotazione, il rotore stesso cambia le sue parti degli avvolgimenti, modificando la tensione ad essi applicata, mentre nel rotore scorre una corrente alternata. Il commutatore è posizionato in modo tale che il flusso magnetico del rotore e dello statore sia nuovamente vicino a 90 gradi per ottenere la coppia massima. Tali motori sono ingenuamente chiamati motori DC, ma del tutto immeritatamente: all'interno, dopo il collettore, la corrente è ancora alternata!

Conclusione

Tutte le macchine elettriche funzionano in modo simile. Nella teoria degli azionamenti elettrici esiste addirittura il concetto di “macchina elettrica generalizzata”, alla quale si riduce il lavoro degli altri. Le spiegazioni “pratiche” riportate nell'articolo non possono in alcun modo servire come guida pratica per scrivere il codice del microcontrollore. L'articolo discute bene l'1% delle informazioni necessarie per implementare il controllo vettoriale reale. Per fare qualcosa in pratica, è necessario, in primo luogo, conoscere TAU, almeno a livello di comprensione del funzionamento del controller PI. Quindi è ancora necessario studiare la descrizione matematica sia della macchina sincrona che della sintesi del controllo vettoriale. Studia anche il PWM vettoriale, scopri cosa sono le coppie polari, familiarizza con i tipi di avvolgimenti della macchina, ecc. Questo può essere fatto nell’ultimo libro “Sistemi di controllo della guida elettrica Anuchin A.S. MPEI, 2015", così come in "Kalachev Yu. N. Regolazione vettoriale (note pratiche)". Il lettore dovrebbe essere messo in guardia dall'immergersi nelle formule dei "vecchi" libri di testo sugli azionamenti, dove l'enfasi principale è sulla considerazione delle caratteristiche dei motori elettrici quando alimentati direttamente da una rete industriale trifase, senza microcontrollori e sensori di posizione. Il comportamento dei motori in questo caso è descritto da formule e dipendenze complesse, ma per il problema del controllo vettoriale non sono quasi di alcuna utilità (se studiate solo per l'autosviluppo). Dovresti prestare particolare attenzione alle raccomandazioni dei vecchi libri di testo, dove, ad esempio, si dice che una macchina sincrona non dovrebbe funzionare alla sua coppia massima, poiché l'operazione è instabile e minaccia di ribaltarsi - tutto questo è un "cattivo consiglio" " per il controllo vettoriale.

Su quale microcontrollore è possibile effettuare un controllo vettoriale completo, leggi, ad esempio, nel nostro articolo Nuovo microcontrollore di controllo motore domestico K1921VK01T JSC NIIET e come eseguirne il debug nell'articolo Metodi per il debug del software del microcontrollore in un azionamento elettrico. Visitate anche il nostro sito: in particolare ci sono due noiosissimi video pubblicati lì, che mostrano in pratica come impostare un regolatore di corrente PI, nonché come funziona una struttura di controllo di corrente chiusa e vettoriale sensorless. Inoltre, è possibile acquistare un kit di debug con una struttura di controllo vettoriale del sensore già pronta su un microcontrollore domestico.

PS
Mi scuso con gli esperti per la gestione non del tutto corretta di alcuni termini, in particolare i termini "flusso", "flusso concatenato", "campo magnetico" e altri - la semplicità richiede sacrificio...

Secondo le ultime statistiche, circa il 70% di tutta l’elettricità generata nel mondo viene consumata da azionamenti elettrici. E ogni anno questa percentuale cresce.

Con un metodo correttamente selezionato per controllare un motore elettrico, è possibile ottenere la massima efficienza, la coppia massima sull'albero della macchina elettrica e allo stesso tempo aumenteranno le prestazioni complessive del meccanismo. I motori elettrici che funzionano in modo efficiente consumano un minimo di elettricità e forniscono la massima efficienza.

Per i motori elettrici alimentati da inverter, l'efficienza dipenderà in gran parte dal metodo scelto per controllare la macchina elettrica. Solo comprendendo i meriti di ciascun metodo gli ingegneri e i progettisti dei sistemi di azionamento possono ottenere le massime prestazioni da ciascun metodo di controllo.
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Metodi di controllo

Molte persone che lavorano nel campo dell'automazione, ma non sono strettamente coinvolte nello sviluppo e nell'implementazione dei sistemi di azionamento elettrico, credono che il controllo del motore elettrico consista in una sequenza di comandi immessi tramite un'interfaccia da un pannello di controllo o da un PC. Sì, dal punto di vista della gerarchia generale di controllo di un sistema automatizzato, questo è corretto, ma esistono anche modi per controllare il motore elettrico stesso. Sono questi metodi che avranno il massimo impatto sulle prestazioni dell'intero sistema.

Per i motori asincroni collegati a un convertitore di frequenza, esistono quattro metodi di controllo principali:

• U/f – volt per hertz;
• U/f con encoder;
• Controllo vettoriale ad anello aperto;
• Controllo vettoriale ad anello chiuso;

Tutti e quattro i metodi utilizzano la modulazione della larghezza degli impulsi PWM, che modifica la larghezza di un segnale fisso variando la larghezza degli impulsi per creare un segnale analogico.

La modulazione della larghezza di impulso viene applicata al convertitore di frequenza utilizzando una tensione del bus CC fissa. aprendo e chiudendo rapidamente (più correttamente, commutando) generano impulsi in uscita. Variando l'ampiezza di questi impulsi in uscita si ottiene una “sinusoide” della frequenza desiderata. Anche se la forma della tensione di uscita dei transistor è pulsata, la corrente viene comunque ottenuta sotto forma di sinusoide, poiché il motore elettrico ha un'induttanza che influenza la forma della corrente. Tutti i metodi di controllo sono basati sulla modulazione PWM. La differenza tra i metodi di controllo risiede solo nel metodo di calcolo della tensione fornita al motore elettrico.

In questo caso, la frequenza portante (mostrata in rosso) rappresenta la massima frequenza di commutazione dei transistor. La frequenza portante per gli inverter è solitamente compresa tra 2 kHz e 15 kHz. Il riferimento di frequenza (mostrato in blu) è il segnale di comando della frequenza di uscita. Per gli inverter utilizzati nei sistemi di azionamento elettrici convenzionali, di norma, varia da 0 Hz a 60 Hz. Quando i segnali di due frequenze si sovrappongono, verrà emesso un segnale per aprire il transistor (indicato in nero), che fornisce la tensione di alimentazione al motore elettrico.

Metodo di controllo U/F

Il controllo volt per Hz, più comunemente indicato come U/F, è forse il metodo di controllo più semplice. Viene spesso utilizzato in semplici sistemi di azionamento elettrico per la sua semplicità e il numero minimo di parametri richiesti per il funzionamento. Questo metodo di controllo non richiede l'installazione obbligatoria di un encoder e impostazioni obbligatorie per un azionamento elettrico a frequenza variabile (ma è consigliato). Ciò comporta una riduzione dei costi per le apparecchiature ausiliarie (sensori, cavi di feedback, relè, ecc.). Il controllo U/F è spesso utilizzato nelle apparecchiature ad alta frequenza, ad esempio nelle macchine CNC per azionare la rotazione del mandrino.

Il modello a coppia costante ha una coppia costante sull'intero intervallo di velocità con lo stesso rapporto U/F. Il modello con rapporto di coppia variabile ha una tensione di alimentazione inferiore alle basse velocità. Ciò è necessario per evitare la saturazione della macchina elettrica.

U/F è l'unico modo per regolare la velocità di un motore elettrico asincrono, che consente il controllo di più azionamenti elettrici da un convertitore di frequenza. Di conseguenza, tutte le macchine si avviano e si fermano simultaneamente e funzionano alla stessa frequenza.

Ma questo metodo di controllo presenta diverse limitazioni. Ad esempio, quando si utilizza il metodo di controllo U/F senza encoder, non vi è assolutamente alcuna certezza che l'albero di una macchina asincrona ruoti. Inoltre, la coppia di avviamento di una macchina elettrica ad una frequenza di 3 Hz è limitata al 150%. Sì, la coppia limitata è più che sufficiente per ospitare la maggior parte delle apparecchiature esistenti. Ad esempio, quasi tutti i ventilatori e le pompe utilizzano il metodo di controllo U/F.

Questo metodo è relativamente semplice a causa delle sue specifiche più flessibili. La regolazione della velocità è generalmente compresa tra il 2% e il 3% della frequenza di uscita massima. La risposta in velocità è calcolata per frequenze superiori a 3 Hz. La velocità di risposta del convertitore di frequenza è determinata dalla velocità della sua risposta alle variazioni della frequenza di riferimento. Maggiore è la velocità di risposta, più velocemente la trazione elettrica risponderà ai cambiamenti nell'impostazione della velocità.

L'intervallo di controllo della velocità quando si utilizza il metodo U/F è 1:40. Moltiplicando questo rapporto per la frequenza massima di funzionamento dell'azionamento elettrico, otteniamo il valore della frequenza minima alla quale la macchina elettrica può funzionare. Ad esempio, se il valore di frequenza massimo è 60 Hz e l'intervallo è 1:40, il valore di frequenza minimo sarà 1,5 Hz.

La curva U/F determina la relazione tra frequenza e tensione durante il funzionamento di un convertitore di frequenza. In base ad essa la curva di impostazione della velocità di rotazione (frequenza del motore) determinerà, oltre al valore della frequenza, anche il valore della tensione fornita ai terminali della macchina elettrica.

Operatori e tecnici possono selezionare il modello di controllo U/F desiderato con un parametro in un moderno convertitore di frequenza. I modelli preinstallati sono già ottimizzati per applicazioni specifiche. Ci sono anche opportunità per creare i propri modelli che saranno ottimizzati per uno specifico sistema di azionamento a frequenza variabile o motore elettrico.

Dispositivi come ventilatori o pompe hanno una coppia di carico che dipende dalla loro velocità di rotazione. La coppia variabile (immagine sopra) del modello U/F previene errori di controllo e migliora l'efficienza. Questo modello di controllo riduce le correnti magnetizzanti alle basse frequenze riducendo la tensione sulla macchina elettrica.

I meccanismi a coppia costante come trasportatori, estrusori e altre apparecchiature utilizzano un metodo di controllo della coppia costante. Con carico costante, è necessaria la piena corrente di magnetizzazione a tutte le velocità. Di conseguenza la caratteristica presenta una pendenza rettilinea nell'intero intervallo di velocità.

Metodo di controllo U/F con encoder

Se è necessario aumentare la precisione del controllo della velocità di rotazione, al sistema di controllo viene aggiunto un encoder. L'introduzione del feedback di velocità tramite encoder consente di aumentare la precisione del controllo allo 0,03%. La tensione di uscita sarà comunque determinata dal modello U/F specificato.

Questo metodo di controllo non è molto utilizzato poiché i vantaggi che offre rispetto alle funzioni U/F standard sono minimi. La coppia di avviamento, la velocità di risposta e l'intervallo di controllo della velocità sono tutti identici all'U/F standard. Inoltre, all'aumentare delle frequenze operative, possono sorgere problemi con il funzionamento dell'encoder, poiché ha un numero di giri limitato.

Controllo vettoriale ad anello aperto

Il controllo vettoriale ad anello aperto (VC) viene utilizzato per un controllo della velocità più ampio e dinamico di una macchina elettrica. Avviandosi da un convertitore di frequenza, i motori elettrici possono sviluppare una coppia di spunto pari al 200% della coppia nominale ad una frequenza di soli 0,3 Hz. Ciò amplia significativamente l'elenco dei meccanismi in cui è possibile utilizzare un azionamento elettrico asincrono con controllo vettoriale. Questo metodo consente inoltre di controllare la coppia della macchina in tutti e quattro i quadranti.

La coppia è limitata dal motore. Ciò è necessario per prevenire danni ad attrezzature, macchinari o prodotti. Il valore delle coppie è suddiviso in quattro diversi quadranti, a seconda del senso di rotazione della macchina elettrica (avanti o indietro) e a seconda se il motore elettrico attua . I limiti possono essere impostati singolarmente per ciascun quadrante oppure l'utente può impostare la coppia complessiva nel convertitore di frequenza.

La modalità motore di una macchina asincrona sarà fornita in modo che il campo magnetico del rotore sia in ritardo rispetto al campo magnetico dello statore. Se il campo magnetico del rotore inizia a superare il campo magnetico dello statore, la macchina entrerà in modalità di frenata rigenerativa con rilascio di energia; in altre parole, il motore asincrono passerà alla modalità generatore.

Ad esempio, una macchina tappatrice per bottiglie può utilizzare la limitazione della coppia nel quadrante 1 (direzione in avanti con coppia positiva) per impedire un serraggio eccessivo del tappo di una bottiglia. Il meccanismo si sposta in avanti e utilizza la coppia positiva per serrare il tappo della bottiglia. Ma un dispositivo come un ascensore con un contrappeso più pesante della cabina vuota utilizzerà il quadrante 2 (rotazione inversa e coppia positiva). Se la cabina sale all'ultimo piano, la coppia sarà opposta alla velocità. Ciò è necessario per limitare la velocità di sollevamento ed evitare la caduta libera del contrappeso, poiché è più pesante della cabina.

Il feedback di corrente in questi convertitori di frequenza consente di impostare limiti sulla coppia e sulla corrente del motore elettrico, poiché all'aumentare della corrente aumenta anche la coppia. La tensione di uscita dell'inverter può aumentare se il meccanismo richiede più coppia o diminuire se viene raggiunto il valore massimo consentito. Ciò rende il principio di controllo vettoriale di una macchina asincrona più flessibile e dinamico rispetto al principio U/F.

Inoltre, i convertitori di frequenza con controllo vettoriale e anello aperto hanno una risposta di velocità più rapida di 10 Hz, che ne consente l'utilizzo in meccanismi con carichi d'urto. Ad esempio, nei frantoi da roccia, il carico cambia costantemente e dipende dal volume e dalle dimensioni della roccia da lavorare.

A differenza del modello di controllo U/F, il controllo vettoriale utilizza un algoritmo vettoriale per determinare la tensione operativa effettiva massima del motore elettrico.

Il controllo vettoriale della VU risolve questo problema grazie alla presenza di feedback sulla corrente del motore. Di norma, il feedback di corrente viene generato dai trasformatori di corrente interni del convertitore di frequenza stesso. Utilizzando il valore di corrente ottenuto, il convertitore di frequenza calcola la coppia e il flusso della macchina elettrica. Il vettore base della corrente del motore è matematicamente suddiviso in un vettore di corrente magnetizzante (I d) e coppia (I q).

Utilizzando i dati e i parametri della macchina elettrica, l'inverter calcola i vettori della corrente magnetizzante (I d) e della coppia (I q). Per ottenere le massime prestazioni, il convertitore di frequenza deve mantenere I d e I q separati da un angolo di 90 0. Ciò è significativo perché sin 90 0 = 1 e un valore pari a 1 rappresenta il valore di coppia massimo.

In generale, il controllo vettoriale di un motore a induzione fornisce un controllo più rigoroso. La regolazione della velocità è pari a circa ±0,2% della frequenza massima e l'intervallo di regolazione raggiunge 1:200, consentendo di mantenere la coppia durante il funzionamento a basse velocità.

Controllo del feedback vettoriale

Il controllo vettoriale di feedback utilizza lo stesso algoritmo di controllo del VAC ad anello aperto. La differenza principale è la presenza di un encoder, che consente al convertitore di frequenza di sviluppare una coppia di spunto del 200% a 0 giri/min. Questo punto è semplicemente necessario per creare un momento iniziale durante lo spostamento da ascensori, gru e altri mezzi di sollevamento, al fine di evitare cedimenti del carico.

La presenza di un sensore di feedback della velocità consente di aumentare il tempo di risposta del sistema a oltre 50 Hz, nonché di espandere l'intervallo di controllo della velocità a 1:1500. Inoltre, la presenza di feedback consente di controllare non la velocità della macchina elettrica, ma la coppia. In alcuni meccanismi, è il valore della coppia ad essere di grande importanza. Ad esempio, avvolgitrice, meccanismi di intasamento e altri. In tali dispositivi è necessario regolare la coppia della macchina.

• Esercitazione

- Cos'è il controllo vettoriale?
- Mantenere la corrente a 90 gradi.

Il termine "controllo vettoriale" dei motori elettrici è familiare a chiunque sia almeno un po' interessato alla questione di come controllare un motore CA utilizzando un microcontrollore. Tuttavia, di solito in qualsiasi libro sugli azionamenti elettrici il capitolo sul controllo vettoriale si trova da qualche parte verso la fine, costituito da un mucchio di formule pelose con riferimenti a tutti gli altri capitoli del libro. Perché non vuoi capire affatto questo problema? E anche le spiegazioni più semplici passano attraverso equazioni di equilibrio differenziale, diagrammi vettoriali e un mucchio di altra matematica. Per questo motivo, tentativi come questo sembrano in qualche modo accendere il motore senza utilizzare l'hardware. Ma in realtà il controllo vettoriale è molto semplice se si comprende il principio del suo funzionamento “sulle dita”. E poi sarà più divertente occuparsi delle formule, se necessario.

Principio di funzionamento di una macchina sincrona

Consideriamo il principio di funzionamento del motore CA più semplice: una macchina sincrona a magnete permanente. Un esempio conveniente è una bussola: il suo ago magnetico è il rotore di una macchina sincrona, e il campo magnetico terrestre è il campo magnetico dello statore. Senza carico esterno (e non ce n'è nella bussola, tranne l'attrito e il fluido che smorza le oscillazioni dell'ago), il rotore è sempre orientato lungo il campo dello statore. Se teniamo una bussola e ruotiamo la Terra sotto di essa, l'ago girerà insieme ad essa, facendo lavoro per mescolare il liquido all'interno della bussola. Ma esiste un modo leggermente più semplice: puoi prendere un magnete esterno, ad esempio, sotto forma di un'asta con poli alle estremità, il cui campo è molto più forte del campo magnetico terrestre, portarlo alla bussola dall'alto e ruotare il magnete. La freccia si muoverà seguendo il campo magnetico rotante. In un vero motore sincrono, il campo dello statore è creato da elettromagneti: bobine con corrente. I circuiti di avvolgimento sono complessi, ma il principio è lo stesso: creano un campo magnetico con lo statore, diretto nella direzione desiderata e con l'ampiezza richiesta. Osserviamo la figura seguente (Figura 1). Al centro c'è un magnete - il rotore di un motore sincrono (la "freccia" della bussola), e ai lati ci sono due elettromagneti - bobine, ciascuno dei quali crea il proprio campo magnetico, uno nell'asse verticale, l'altro in orizzontale.

Figura 1. Principio di funzionamento di una macchina elettrica sincrona

Il flusso magnetico della bobina è proporzionale alla corrente in essa contenuta (in prima approssimazione). Saremo interessati al flusso magnetico dallo statore nel luogo in cui si trova il rotore, ad es. al centro dell'immagine (trascuriamo gli effetti di bordo, la dispersione e tutto il resto). I flussi magnetici di due bobine posizionate perpendicolarmente vengono sommati vettorialmente, formando un flusso comune per l'interazione con il rotore. Ma poiché il flusso è proporzionale alla corrente nella bobina, è conveniente disegnare direttamente i vettori di corrente, allineandoli al flusso. La figura mostra alcune correnti Io α E Io β, creando flussi magnetici lungo gli assi α e β, rispettivamente. Vettore corrente totale dello statore È crea un flusso magnetico dello statore co-diretto. Quelli. Infatti È simboleggia il magnete esterno che abbiamo portato alla bussola, ma creato da elettromagneti - bobine con corrente.
Nella figura il rotore si trova in una posizione arbitraria, ma da questa posizione il rotore tenderà a ruotare secondo il flusso magnetico dello statore, cioè per vettore È(la posizione del rotore in questo caso è indicata dalla linea tratteggiata). Di conseguenza, se si applica corrente solo alla fase α , diciamo Io α= 1A, il rotore rimarrà in posizione orizzontale e, se in β, in verticale e, se applicato Io β= -1 E poi si girerà di 180 gradi. Se fornisci corrente Io α secondo la legge del seno, e Io β secondo la legge del coseno del tempo, verrà creato un campo magnetico rotante. Il rotore lo seguirà e girerà (come l'ago di una bussola segue manualmente la rotazione di un magnete). Questo è il principio di base di funzionamento di una macchina sincrona, in questo caso una macchina bifase con una coppia di vantaggi.
Disegniamo un grafico della coppia del motore in base alla posizione angolare dell'albero del rotore e al vettore corrente È statore – caratteristica angolare di un motore sincrono. Questa dipendenza è sinusoidale (Figura 2).

Figura 2. Caratteristica angolare di una macchina sincrona (qui c'è una certa confusione storica con i segni di momento e angolo, motivo per cui la caratteristica è spesso disegnata invertita rispetto all'asse orizzontale).

Per ottenere questo grafico in pratica, è possibile posizionare un sensore di coppia sull'albero del rotore, quindi attivare qualsiasi vettore di corrente, ad esempio applicando semplicemente corrente alla fase α. Il rotore ruoterà nella posizione appropriata, che deve essere considerata zero. Successivamente, tramite il sensore di coppia, è necessario far girare “a mano” il rotore, fissando l'angolo sul grafico in ogni punto θ , che è stato girato e il momento in cui il sensore ha mostrato. Quelli. è necessario allungare la “molla magnetica” del motore attraverso il sensore di coppia. Il momento più grande si troverà ad un angolo di 90 gradi rispetto al vettore corrente (dall'inizio). L'ampiezza della coppia massima risultante Mmax è proporzionale all'ampiezza del vettore di corrente applicata. Se si applica 1A si ottiene, ad esempio, M max = 1 N∙m (newton*metro, unità di misura della coppia), se si applica 2A si ottiene M max = 2 N∙m.

Da questa caratteristica ne consegue che il motore sviluppa la coppia maggiore quando il rotore è a 90° rispetto al vettore di corrente. Poiché, quando si crea un sistema di controllo su un microcontrollore, vogliamo ottenere la coppia più alta dal motore con un minimo di perdite e le perdite, prima di tutto, sono la corrente negli avvolgimenti, è più razionale impostare sempre la corrente vettore a 90° rispetto al campo magnetico del rotore, cioè perpendicolare al magnete nella Figura 1. Dobbiamo cambiare tutto al contrario: il rotore non si muove verso il vettore corrente che abbiamo impostato, ma impostiamo sempre il vettore corrente a 90° rispetto al rotore, non importa come ruota lì , cioè. "inchiodare" il vettore corrente al rotore. Regoleremo la coppia del motore in base all'ampiezza della corrente. Maggiore è l'ampiezza, maggiore è la coppia. Ma la frequenza di rotazione, la frequenza della corrente negli avvolgimenti non sono più affari “nostri” - cosa succede, come ruota il rotore, così sarà - controlliamo la coppia sull'albero. Stranamente, questo è esattamente ciò che viene chiamato controllo vettoriale: quando controlliamo il vettore della corrente dello statore in modo che sia a 90° rispetto al campo magnetico del rotore. Sebbene alcuni libri di testo diano definizioni più ampie, al punto che il controllo vettoriale si riferisce generalmente a qualsiasi legge di controllo in cui sono coinvolti i “vettori”, ma solitamente il controllo vettoriale si riferisce proprio al metodo di controllo sopra menzionato.

Costruire una struttura di controllo vettoriale

Ma come si ottiene in pratica il controllo vettoriale? Ovviamente prima bisogna conoscere la posizione del rotore in modo da avere qualcosa rispetto al quale misurare 90°. Il modo più semplice per farlo è installare il sensore di posizione stesso sull'albero del rotore. Quindi è necessario capire come creare un vettore corrente, mantenendo le correnti desiderate in fasi α E β . Applichiamo tensione al motore, non corrente... Ma poiché vogliamo sostenere qualcosa, dobbiamo misurarlo. Pertanto, per il controllo vettoriale saranno necessari sensori di corrente di fase. Successivamente è necessario assemblare una struttura di controllo vettoriale sotto forma di programma su un microcontrollore che farà il resto. Affinché questa spiegazione non sembri un'istruzione su "come disegnare un gufo", continuiamo l'immersione.
È possibile mantenere la corrente con il microcontrollore utilizzando un regolatore di corrente software PI (proporzionale-integrale) e PWM. Di seguito, ad esempio, è mostrata una struttura con un regolatore di corrente per una fase α (Figura 3).

Figura 3. Struttura di controllo corrente chiusa per una fase

Ecco l'impostazione attuale io α_indietro– una certa costante, la corrente che vogliamo mantenere per questa fase, ad esempio 1A. L'attività viene inviata al sommatore del regolatore di corrente, la cui struttura descritta è mostrata sopra. Se il lettore non sa come funziona il controller PI, allora ahimè. Posso solo consigliarne alcuni. Il regolatore di corrente in uscita imposta la tensione di fase Uα. La tensione viene fornita al blocco PWM, che calcola le impostazioni del ciclo di lavoro (impostazioni di confronto) per i timer PWM del microcontrollore, generando PWM su un inverter a ponte di quattro interruttori per generare questo Uα. L'algoritmo può essere diverso, ad esempio, per tensione positiva il PWM del rack destro è proporzionale alla tensione impostata, l'interruttore inferiore è chiuso a sinistra, per PWM negativo quello sinistro, l'interruttore inferiore è chiuso a destra. Non dimenticare di aggiungere i tempi morti! Di conseguenza, una tale struttura rende il software una “sorgente di corrente” a scapito di una sorgente di tensione: impostiamo il valore di cui abbiamo bisogno io α_indietro, e questa struttura lo implementa con una certa velocità.

Inoltre, forse alcuni lettori hanno già pensato che la struttura del controllo vettoriale è solo una piccola cosa: è necessario installare due regolatori di corrente, un regolatore per ciascuna fase, e formare un compito su di essi a seconda dell'angolo dal sensore di posizione del rotore ( RPS), cioè ad es. creare qualcosa di simile a questa struttura (Figura 4):

Figura 4. Struttura di controllo vettoriale errata (ingenua).

Non puoi farlo. Quando il rotore ruota, le variabili io α_indietro E io β_indietro sarà sinusoidale, cioè il compito degli attuali regolatori cambierà continuamente. La velocità del controller non è infinita, quindi quando l'attività cambia, non la elabora immediatamente. Se il compito viene costantemente modificato, il regolatore lo raggiungerà sempre, senza mai raggiungerlo. E man mano che la velocità di rotazione del motore aumenta, il ritardo della corrente reale rispetto a quella data diventerà sempre più grande, fino a quando l'angolo desiderato di 90° tra la corrente e il magnete del rotore cesserà di essere simile ad esso, e il vettore il controllo cessa di essere tale. Ecco perché lo fanno diversamente. La struttura corretta è la seguente (Figura 5):

Figura 5. Struttura di controllo del sensore vettoriale per una macchina sincrona bifase

Qui sono stati aggiunti due blocchi: BKP_1 e BKP_2: blocchi di trasformazioni di coordinate. Fanno una cosa molto semplice: ruotano il vettore di input di un dato angolo. Inoltre, BOD_1 diventa + ϴ e BKP_2 su - ϴ . Questa è tutta la differenza tra loro. Nella letteratura straniera vengono chiamate trasformazioni del parco. BKP_2 esegue la trasformazione delle coordinate per le correnti: da assi fissi α E β , legati allo statore del motore, agli assi rotanti D E Q, legato al rotore del motore (utilizzando l'angolo di posizione del rotore ϴ ). E BKP_1 effettua la trasformazione inversa, impostando la tensione lungo gli assi D E Q effettua la transizione agli assi α E β . Non fornisco alcuna formula per convertire le coordinate, ma sono semplici e molto facili da trovare. In realtà, non c’è niente di più complicato della geometria scolastica (Figura 6):

Figura 6. Trasformazioni di coordinate dagli assi fissi α e β, legati allo statore del motore, agli assi rotanti. D E Q, legato al rotore

Cioè, invece di “ruotare” le impostazioni dei regolatori (come avveniva nella struttura precedente), i loro ingressi e uscite ruotano, e i regolatori stessi funzionano in modalità statica: le correnti D, Q e le uscite dei controller in stato stazionario sono costanti. Assi D E Q ruotare insieme al rotore (poiché vengono ruotati da un segnale proveniente dal sensore di posizione del rotore), mentre il regolatore dell'asse Q regola esattamente la corrente che all'inizio dell'articolo ho chiamato “perpendicolare al campo del rotore”, cioè è una corrente generatrice di coppia, e la corrente Dè allineato con il “magnete del rotore”, quindi non ci serve e lo impostiamo uguale a zero. Questa struttura è esente dallo svantaggio della prima struttura: gli attuali regolatori non sanno nemmeno che qualcosa sta girando da qualche parte. Funzionano in modalità statica: hanno regolato ciascuna delle loro correnti, hanno raggiunto la tensione specificata - e basta, come il rotore, non scappare da loro, non se ne accorgeranno nemmeno: tutto il lavoro di rotazione viene eseguita tramite blocchi di trasformazione delle coordinate.

Per spiegare “sulle dita” si può fare qualche analogia.

Per il traffico lineare, lascia che sia, ad esempio, un autobus urbano. Accelera costantemente, poi rallenta, poi torna indietro e generalmente si comporta come vuole: è il rotore di un motore. Inoltre siete in macchina lì vicino, guidate in parallelo: il vostro compito è stare esattamente al centro dell'autobus: “mantenete 90°”, voi siete i regolatori attuali. Se l'autobus cambia continuamente velocità, dovresti anche cambiare la velocità di conseguenza e monitorarla continuamente. Ma ora faremo il “controllo vettoriale” per te. Sei salito sull'autobus, ti sei messo in mezzo e ti sei aggrappato al corrimano - come l'autobus, non scappare, puoi facilmente affrontare il compito di "essere in mezzo all'autobus". Allo stesso modo, i regolatori di corrente, “rotolando” negli assi rotanti d, q del rotore, vivono vita facile.

La struttura di cui sopra funziona effettivamente e viene utilizzata nei moderni azionamenti elettrici. Mancano solo tutta una serie di piccoli “miglioramenti”, senza i quali non è più consuetudine realizzarli, come la compensazione per le connessioni trasversali, varie restrizioni, l’indebolimento del campo, ecc. Ma questo è il principio base.

E se fosse necessario regolare non la coppia motrice, ma comunque la velocità (la velocità angolare corretta, la frequenza di rotazione)? Bene, allora installiamo un altro controller PI: un controller di velocità (RS). Applichiamo un comando di velocità all'ingresso e in uscita abbiamo un comando di coppia. Poiché la corrente dell'asse Qè proporzionale alla coppia, quindi per semplificare l'uscita del regolatore di velocità può essere alimentata direttamente all'ingresso del regolatore di corrente dell'asse Q, in questo modo (Figura 7):

Figura 7. Regolatore di velocità per il controllo vettoriale
Qui l'SI, il regolatore dell'intensità, cambia gradualmente la sua potenza in modo che il motore acceleri al ritmo desiderato e non guidi a piena corrente finché non viene impostata la velocità. Velocità attuale ω preso dal gestore del sensore di posizione del rotore, da allora ω questa è la derivata della posizione angolare ϴ . Bene, oppure puoi semplicemente misurare il tempo tra gli impulsi del sensore...

Come fare lo stesso per un motore trifase? Beh, in realtà niente di speciale, aggiungi un altro blocco e cambia il modulo PWM (Figura 8).

Figura 8. Struttura di controllo del sensore vettoriale per macchina sincrona trifase

Le correnti trifase, proprio come quelle bifase, hanno uno scopo: creare un vettore di corrente dello statore È, diretto nella direzione desiderata e avente l'ampiezza desiderata. Pertanto, le correnti trifase possono essere semplicemente convertite in bifase e quindi lasciare lo stesso sistema di controllo già assemblato per una macchina bifase. Nella letteratura in lingua inglese, un tale “ricalcolo” si chiama trasformazione di Clarke (Edith Clarke è lei), nel nostro paese si chiama trasformazioni di fase. Nella struttura di figura 8, pertanto, tale operazione viene eseguita da un blocco di trasformazione di fase. Si ripetono utilizzando il corso di geometria scolastica (Figura 9):

Figura 9. Conversioni di fase: da tre fasi a due. Per comodità assumiamo che l'ampiezza del vettore I s sia uguale all'ampiezza della corrente nella fase

Penso che non siano necessari commenti. Qualche parola sulla corrente della fase C. Non è necessario installare lì un sensore di corrente, poiché le tre fasi del motore sono collegate a stella e, secondo la legge di Kirchhoff, tutto ciò che scorre attraverso due fasi deve uscire da la terza (a meno che, ovviamente, non ci sia un buco nell'isolamento del motore e la metà non abbia perdite da qualche parte nell'alloggiamento), quindi la corrente della fase C viene calcolata come la somma scalare delle correnti delle fasi A e B con a segno meno. Sebbene a volte venga installato un terzo sensore per ridurre l'errore di misurazione.

È inoltre necessaria una rielaborazione completa del modulo PWM. Tipicamente, per i motori trifase viene utilizzato un inverter trifase a sei interruttori. Nella figura il comando di tensione arriva ancora negli assi bifase. All'interno del modulo PWM, mediante trasformazioni di fase inversa, questa può essere convertita in tensioni delle fasi A, B, C, che in questo momento devono essere applicate al motore. Ma cosa fare dopo... Le opzioni sono possibili. Un metodo ingenuo consiste nell'impostare un ciclo di lavoro per ciascun rack di inverter proporzionale alla tensione desiderata più 0,5. Questo è chiamato PWM onda sinusoidale. Questo è esattamente il metodo utilizzato dall'autore in habrahabr.ru/post/128407. Tutto va bene in questo metodo, tranne per il fatto che questo metodo sottoutilizzerà l'inverter di tensione, ad es. la tensione massima che si otterrà sarà inferiore a quella che si potrebbe ottenere utilizzando un metodo PWM più avanzato.

Facciamo i conti. Ti permettono di avere un classico convertitore di frequenza, alimentato da una rete industriale trifase 380V 50Hz. Qui 380 V è la tensione effettiva lineare (tra le fasi). Poiché il convertitore contiene un raddrizzatore, raddrizzerà questa tensione e il bus CC avrà una tensione pari all'ampiezza della tensione lineare, ovvero 380∙√2=540V tensione continua (almeno senza carico). Se applichiamo un algoritmo di calcolo sinusoidale nel modulo PWM, l'ampiezza della tensione di fase massima che possiamo ottenere sarà pari alla metà della tensione sul bus CC, ad es. 540/2=270V. Convertiamo in fase effettiva: 270/√2=191V. E ora passiamo all'attuale lineare: 191∙√3=330V. Ora possiamo fare un confronto: sono entrati 380 V, ma sono usciti 330 V... E non puoi fare nient'altro con questo tipo di PWM. Per correggere questo problema, viene utilizzato il cosiddetto tipo vettoriale PWM. La sua uscita sarà nuovamente di 380 V (idealmente, senza tenere conto di tutte le cadute di tensione). Il metodo PWM vettoriale non ha nulla a che fare con il controllo vettoriale di un motore elettrico. È solo che la sua logica utilizza ancora una volta un po' di geometria scolastica, ed è per questo che si chiama vettore. Tuttavia, il suo lavoro non può essere spiegato con le dita, quindi rimanderò il lettore ai libri (alla fine dell'articolo) o a Wikipedia. Posso anche darti un'immagine che suggerisce leggermente la differenza nel funzionamento del PWM sinusoidale e vettoriale (Figura 10):

Figura 10. Variazione dei potenziali di fase per PWM scalare e vettoriale

Tipi di sensori di posizione

A proposito, quali sensori di posizione vengono utilizzati per il controllo vettoriale? Esistono quattro tipi di sensori più comunemente utilizzati. Si tratta di un encoder incrementale in quadratura, un encoder basato su elementi Hall, un encoder di posizione assoluta e un encoder sincrono.
Codificatore di quadratura non indica la posizione assoluta del rotore: con i suoi impulsi consente solo di determinare la distanza percorsa, ma non dove e da dove (come l'inizio e la fine sono correlati alla posizione del magnete del rotore). Pertanto non è adatto per il controllo vettoriale di una macchina sincrona. Il suo segno di riferimento (indice) salva un po 'la situazione: ce n'è solo uno per giro meccanico, se lo raggiungi, allora la posizione assoluta diventa nota, e da essa puoi già contare quanto hai guidato utilizzando un segnale di quadratura. Ma come arrivare a questo traguardo all'inizio dei lavori? In generale, questo non è sempre conveniente.
Sensore elemento Hall- Questo è un sensore approssimativo. Produce solo pochi impulsi per giro (a seconda del numero di elementi Hall; per i motori trifase solitamente sono tre, cioè sei impulsi), consentendo di conoscere la posizione in valore assoluto, ma con scarsa precisione. La precisione è solitamente sufficiente per mantenere l'angolo del vettore corrente in modo che il motore almeno si muova in avanti e non indietro, ma la coppia e le correnti pulsano. Se il motore ha accelerato, puoi iniziare a estrapolare programmaticamente il segnale dal sensore nel tempo, ad es. costruire un angolo linearmente variabile a partire da un angolo discreto approssimativo. Ciò viene fatto presupponendo che il motore ruoti a velocità approssimativamente costante, qualcosa del genere (Figura 11):

Figura 11. Funzionamento di un sensore di posizione dell'elemento Hall per una macchina trifase ed estrapolazione del suo segnale

Spesso per i servomotori viene utilizzata una combinazione di encoder e sensore ad effetto Hall. In questo caso è possibile creare un unico modulo software per elaborarli, eliminando gli svantaggi di entrambi: eseguire l'estrapolazione dell'angolo sopra indicata, ma non in base al tempo, ma in base ai segni dell'encoder. Quelli. Un encoder opera all'interno del sensore Hall da un bordo all'altro e ciascun bordo Hall inizializza chiaramente la posizione angolare assoluta attuale. In questo caso solo il primo movimento dell'azionamento sarà non ottimale (non a 90°), finché non raggiungerà qualche parte anteriore del sensore di Hall. Un problema a parte in questo caso è l'elaborazione delle non idealità di entrambi i sensori: raramente qualcuno dispone gli elementi Hall in modo simmetrico e uniforme...

In applicazioni ancora più costose che utilizzano codificatore assoluto dotato di interfaccia digitale (encoder assoluto), che fornisce immediatamente la posizione assoluta e permette di evitare i problemi sopra descritti.

Se il motore elettrico è molto caldo, e anche quando è richiesta una maggiore precisione nella misurazione dell'angolo, utilizzare "analogico" sensore sincrono(resolver, trasformatore rotante). Questa è una piccola macchina elettrica utilizzata come sensore. Immagina che nella macchina sincrona considerata nella Figura 1, al posto dei magneti, ci sia un'altra bobina alla quale applichiamo un segnale ad alta frequenza. Se il rotore è orizzontale, il segnale verrà indotto solo nella bobina dello statore di fase α , se verticale, quindi solo dentro β , se lo si gira di 180, la fase del segnale cambia, e nelle posizioni intermedie viene indotto sia qua che là secondo la legge seno/coseno. Di conseguenza, misurando l'ampiezza del segnale in due bobine, è possibile determinare la posizione anche dal rapporto tra questa ampiezza e lo sfasamento. Installando una macchina del genere come sensore su quella principale, puoi scoprire la posizione del rotore.
Esistono molti altri sensori di posizione esotici, soprattutto per applicazioni ad altissima precisione come la produzione di chip elettronici. Lì, qualsiasi fenomeno fisico viene utilizzato solo per scoprire la posizione nel modo più accurato possibile. Non li considereremo.

Semplificazione del controllo vettoriale

Come hai capito, il controllo vettoriale è piuttosto impegnativo: fornisci sensori di posizione, sensori di corrente, controllo vettoriale PWM e nessun microcontrollore per calcolare tutta questa matematica. Pertanto, per applicazioni semplici è semplificato. Per cominciare, è possibile eliminare il sensore di posizione effettuando il controllo vettoriale sensorless. Per fare ciò, usa un po' più di magia matematica, situata nel rettangolo giallo (Figura 12):

Figura 12. Struttura di controllo vettoriale sensorless

Un osservatore è un blocco che riceve informazioni sulla tensione applicata al motore (ad esempio, da un lavoro su un modulo PWM) e sulle correnti nel motore dai sensori. All'interno dell'osservatore c'è un modello di motore elettrico che, grosso modo, cerca di adattare le sue correnti nello statore a quelle misurate da un motore reale. Se ci riesce, allora possiamo supporre che anche la posizione del rotore simulata all'interno dell'albero coincida con quella reale e possa essere utilizzata per esigenze di controllo vettoriale. Bene, questo è, ovviamente, completamente semplificato. Esistono innumerevoli tipi di osservatori come questi. Ogni studente laureato specializzato in azionamenti elettrici cerca di inventarne uno proprio, che in qualche modo è migliore degli altri. Il principio di base è il monitoraggio della FEM del motore elettrico. Pertanto, molto spesso, un sistema di controllo sensorless è operativo solo a velocità di rotazione relativamente elevate, dove la FEM è elevata. Presenta anche una serie di svantaggi rispetto alla presenza di un sensore: è necessario conoscere i parametri del motore, la velocità di guida è limitata (se la velocità di rotazione cambia bruscamente, l'osservatore potrebbe non avere il tempo di seguirla e "mentire" " per un po 'di tempo, o addirittura "andare in pezzi" completamente), impostare un osservatore è un'intera procedura; per il suo funzionamento di alta qualità, è necessario conoscere esattamente la tensione sul motore, misurare accuratamente le sue correnti, ecc.

C'è un'altra opzione di semplificazione. Ad esempio, puoi eseguire la cosiddetta “commutazione automatica”. In questo caso, per un motore trifase, abbandonano il complesso metodo PWM, abbandonano la complessa struttura vettoriale e iniziano semplicemente ad accendere le fasi del motore utilizzando un sensore di posizione sugli elementi Hall, anche a volte senza alcuna limitazione di corrente. La corrente nelle fasi non è sinusoidale, ma trapezoidale, rettangolare o ancor più distorta. Ma cercano di assicurarsi che il vettore di corrente medio sia ancora a 90 gradi rispetto al “magnete del rotore” scegliendo il momento in cui le fasi vengono attivate. Allo stesso tempo, accendendo la fase sotto tensione, non si sa quando aumenterà la corrente nella fase del motore. A bassa velocità di rotazione lo fa più velocemente, ad alta velocità, dove interferisce la forza elettromotrice della macchina, lo fa più lentamente; la velocità di aumento della corrente dipende anche dall'induttanza del motore, ecc. Pertanto, anche includendo le fasi esattamente al momento giusto, non è affatto un dato di fatto che il vettore di corrente medio si troverà nel posto giusto e con la fase giusta: può avanzare o ritardare rispetto ai 90 gradi ottimali. Pertanto, in tali sistemi, viene introdotta un'impostazione di "anticipo di commutazione" - essenzialmente solo il tempo, quanto prima la tensione deve essere applicata alla fase del motore, in modo che alla fine la fase del vettore corrente sia più vicina a 90 gradi. In poche parole, questo si chiama “impostare i tempi”. Poiché la corrente in un motore elettrico durante l'autocommutazione non è sinusoidale, se si prende la macchina sinusoidale discussa sopra e la si controlla in questo modo, la coppia sull'albero pulsa. Pertanto, nei motori progettati per l'autocommutazione, la geometria magnetica del rotore e dello statore viene spesso modificata in modo speciale per renderli più adatti a questo tipo di controllo: la FEM di tali macchine è resa trapezoidale, per cui funzionano meglio in modalità di autocommutazione. Le macchine sincrone ottimizzate per l'autocommutazione sono chiamate motori brushless a corrente continua (BLDC) o in inglese BLDC (Brushless Direct Current Motor). La modalità di commutazione automatica è spesso chiamata anche modalità valvola e i motori che funzionano con essa sono del tipo a valvola. Ma questi sono solo nomi diversi che non influiscono in alcun modo sull'essenza (ma gli operatori esperti di motori elettrici spesso soffrono di CPGS in questioni relative a questi nomi). C'è un buon video che illustra il principio di funzionamento di tali macchine. Mostra un motore invertito, con il rotore all'esterno e lo statore all'interno:

Ma c'è una serie di articoli su tali motori e sull'hardware del sistema di controllo.

Puoi optare per una semplificazione ancora maggiore. Commutare gli avvolgimenti in modo che una fase sia sempre “libera” e ad essa non venga applicato alcun PWM. Successivamente è possibile misurare la FEM (tensione indotta nella bobina di fase), e quando questa tensione passa per lo zero, utilizzarla come segnale proveniente dal sensore di posizione del rotore, perché la fase di questa tensione indotta dipende proprio dalla posizione della bobina rotore. Ciò si traduce in un'autocommutazione senza sensori, ampiamente utilizzata in vari azionamenti semplici, ad esempio nei "regolatori" per le eliche di modellini di aerei. Va ricordato che l'EMF della macchina appare solo a una velocità di rotazione relativamente elevata, quindi, per iniziare, tali sistemi di controllo semplicemente eseguono un ciclo lento attraverso le fasi, sperando che il rotore del motore segua la corrente fornita. Non appena appare l'EMF, viene attivata la modalità di commutazione automatica. Pertanto, un sistema sensorless (così semplice, e molto spesso anche complesso) non è adatto per compiti in cui il motore deve essere in grado di sviluppare coppia a velocità prossime allo zero, ad esempio per la trazione di un'auto (o del suo modello) , un servoazionamento di qualche meccanismo, ecc. P. Ma il sistema sensorless è adatto con successo per pompe e ventilatori, dove viene utilizzato.

Ma a volte fanno semplificazioni ancora maggiori. Puoi abbandonare completamente il microcontrollore, i tasti, i sensori di posizione e altre cose cambiando fase con uno speciale interruttore meccanico (Figura 13):

Figura 13. Interruttore meccanico per la commutazione degli avvolgimenti

Durante la rotazione, il rotore stesso cambia le sue parti degli avvolgimenti, modificando la tensione ad essi applicata, mentre nel rotore scorre una corrente alternata. Il commutatore è posizionato in modo tale che il flusso magnetico del rotore e dello statore sia nuovamente vicino a 90 gradi per ottenere la coppia massima. Tali motori sono ingenuamente chiamati motori DC, ma del tutto immeritatamente: all'interno, dopo il collettore, la corrente è ancora alternata!

Conclusione

Tutte le macchine elettriche funzionano in modo simile. Nella teoria degli azionamenti elettrici esiste addirittura il concetto di “macchina elettrica generalizzata”, alla quale si riduce il lavoro degli altri. Le spiegazioni “pratiche” riportate nell'articolo non possono in alcun modo servire come guida pratica per scrivere il codice del microcontrollore. L'articolo discute bene l'1% delle informazioni necessarie per implementare il controllo vettoriale reale. Per fare qualcosa in pratica, è necessario, in primo luogo, conoscere TAU, almeno a livello di comprensione del funzionamento del controller PI. Quindi è ancora necessario studiare la descrizione matematica sia della macchina sincrona che della sintesi del controllo vettoriale. Studia anche il PWM vettoriale, scopri cosa sono le coppie polari, familiarizza con i tipi di avvolgimenti della macchina, ecc. Questo può essere fatto nell’ultimo libro “Sistemi di controllo della guida elettrica Anuchin A.S. MPEI, 2015", così come in "Kalachev Yu. N. Regolazione vettoriale (note pratiche)". Il lettore dovrebbe essere messo in guardia dall'immergersi nelle formule dei "vecchi" libri di testo sugli azionamenti, dove l'enfasi principale è sulla considerazione delle caratteristiche dei motori elettrici quando alimentati direttamente da una rete industriale trifase, senza microcontrollori e sensori di posizione. Il comportamento dei motori in questo caso è descritto da formule e dipendenze complesse, ma per il problema del controllo vettoriale non sono quasi di alcuna utilità (se studiate solo per l'autosviluppo). Dovresti prestare particolare attenzione alle raccomandazioni dei vecchi libri di testo, dove, ad esempio, si dice che una macchina sincrona non dovrebbe funzionare alla sua coppia massima, poiché l'operazione è instabile e minaccia di ribaltarsi - tutto questo è un "cattivo consiglio" " per il controllo vettoriale.

Su quale microcontrollore è possibile effettuare un controllo vettoriale completo, leggi, ad esempio, nel nostro articolo Nuovo microcontrollore di controllo motore domestico K1921VK01T JSC NIIET e come eseguirne il debug nell'articolo Metodi per il debug del software del microcontrollore in un azionamento elettrico. Visitate anche il nostro sito: in particolare ci sono due noiosissimi video pubblicati lì, che mostrano in pratica come impostare un regolatore di corrente PI, nonché come funziona una struttura di controllo di corrente chiusa e vettoriale sensorless. Inoltre, è possibile acquistare un kit di debug con una struttura di controllo vettoriale del sensore già pronta su un microcontrollore domestico.

Continuazione dell'articolo, che parla di motori asincroni.

PS
Mi scuso con gli esperti per la gestione non del tutto corretta di alcuni termini, in particolare i termini "flusso", "flusso concatenato", "campo magnetico" e altri - la semplicità richiede sacrificio...

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Controllo vettoriale

Controllo vettorialeè un metodo per controllare motori sincroni e asincroni, non solo generando correnti armoniche (tensioni) delle fasi (controllo scalare), ma fornendo anche il controllo del flusso magnetico del rotore. Le prime implementazioni del principio di controllo vettoriale e degli algoritmi ad alta precisione richiedono l'uso di sensori di posizione (velocità) del rotore.

In generale, sotto " controllo vettoriale" si riferisce all'interazione del dispositivo di controllo con il cosiddetto "vettore spaziale", che ruota con la frequenza del campo motore.

Apparato matematico di controllo vettoriale

Fondazione Wikimedia. 2010.

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