Ideea principală control vectorial este de a controla nu numai mărimea și frecvența tensiunii de alimentare, ci și faza. Cu alte cuvinte, mărimea și unghiul vectorului spațial sunt controlate. Controlul vectorial are performanțe mai mari în comparație cu. Controlul vectorial elimină aproape toate dezavantajele controlului scalar.

Avantajele controlului vectorial:
• precizie ridicată a controlului vitezei;
• pornire lină și rotire lină a motorului pe întregul interval de frecvență;
• răspuns rapid la modificările de sarcină: atunci când sarcina se schimbă, practic nu există nicio modificare a vitezei;
• interval de control crescut și precizie de control;
• pierderile datorate încălzirii și magnetizării sunt reduse și .

Dezavantajele controlului vectorial includ:
• necesitatea setarii parametrilor;
• fluctuații mari de viteză la sarcină constantă;
• complexitate de calcul ridicată.

Diagrama funcțională generală a controlului vectorial

Schema bloc generală a unui sistem de control al vitezei AC de înaltă performanță este prezentată în figura de mai sus. Baza circuitului o reprezintă legătura fluxului magnetic și circuitele de control al cuplului împreună cu o unitate de evaluare, care poate fi implementată în diferite moduri. În acest caz, bucla externă de control al vitezei este în mare măsură unificată și generează semnale de control pentru regulatoarele de cuplu M * și legătura de flux magnetic Ψ * (prin unitatea de control al debitului). Viteza motorului poate fi măsurată printr-un senzor (viteză/poziție) sau obținută printr-un estimator care permite implementarea.

Clasificarea metodelor de control vectorial

Începând cu anii șaptezeci ai secolului XX, au fost propuse multe metode de control al cuplului. Nu toate sunt utilizate pe scară largă în industrie. Prin urmare, acest articol discută numai cele mai populare metode de management. Metodele de control al cuplului discutate sunt prezentate pentru sistemele de control cu ​​EMF invers sinusoidal.

Metodele existente de control al cuplului pot fi clasificate în diferite moduri.

Cel mai adesea, metodele de control al cuplului sunt împărțite în următoarele grupuri:
• regulatoare liniare (PI, PID);
• regulatoare neliniare (histereză).

Metoda de control			Gama de control al vitezei	Eroare de viteză 3,%	Timp de creștere a cuplului, ms	Cuplul de pornire	Preţ	Descriere
			1:10 1	5-10	Nu este disponibil	Scurt	Foarte scăzut	Are un răspuns lent la schimbările de sarcină și un interval mic de control al vitezei, dar este ușor de implementat.
			>1:200 2	0		Ridicat	Ridicat	Vă permite să controlați ușor și rapid principalii parametri ai motorului - cuplul și viteza. Pentru ca această metodă să funcționeze, sunt necesare informații despre poziția rotorului.
			>1:200 2	0		Ridicat	Ridicat	O metodă hibridă concepută pentru a combina avantajele...
			>1:200 2	0		Ridicat	Ridicat	Are o dinamică ridicată și un circuit simplu, dar o trăsătură caracteristică a funcționării sale este ondulațiile mari de curent și cuplu.
			>1:200 2	0		Ridicat	Ridicat	Are o frecvență de comutare a invertorului mai mică decât alte metode și este conceput pentru a reduce pierderile la controlul motoarelor electrice de mare putere.

Nota:

1. Fără feedback.
2. Cu feedback.
3. În stare de echilibru

Dintre controlul vectorial, cele mai utilizate sunt (FOC - field oriented control) și (DTC - direct torque control).

Regulatoare liniare de cuplu

Controlerele liniare de cuplu funcționează împreună cu modularea lățimii impulsului (PWM) a tensiunii. Regulatoarele determină vectorul de tensiune statoric necesar mediat pe perioada de eșantionare. Vectorul de tensiune este în cele din urmă sintetizat prin metoda PWM, în majoritatea cazurilor, se utilizează modulația vectorială spațială (SVM). Spre deosebire de circuitele de control neliniar al cuplului, unde semnalele sunt procesate folosind valori instantanee, în circuitele de control liniar al cuplului, un controler liniar (PI) operează cu valori medii pe perioada de eșantionare. Prin urmare, frecvența de eșantionare poate fi redusă de la 40 kHz în circuitele regulatoare de cuplu neliniare la 2-5 kHz în circuitele regulatoare de cuplu liniare.

Control orientat pe câmp

Control orientat pe câmp(POA, English field oriented control, FOC) este o metodă de control care controlează un curent alternativ fără perii (,) ca o mașină de curent continuu cu excitație independentă, ceea ce implică faptul că câmpul și poate fi controlat separat.

Controlul orientat pe câmp, propus în 1970 de Blaschke și Hasse, se bazează pe o analogie cu controlul comutat mecanic. În acest motor, înfășurările de câmp și armătura sunt separate, legătura fluxului este controlată de curentul de câmp, iar cuplul este controlat independent de reglarea curentului. Astfel, legătura fluxului și curenții de cuplu sunt separați electric și magnetic.

Schema funcțională generală a controlului fără senzori orientat pe câmp 1

Pe de altă parte, motoarele de curent alternativ fără perii ( , ) au cel mai adesea o înfășurare a statorului trifazat, iar vectorul curent al statorului I s este folosit pentru a controla atât fluxul, cât și cuplul. Astfel, curentul de câmp și curentul de armătură comasateîn vectorul curent al statorului și nu poate fi controlat separat. Deconectarea poate fi realizată matematic - prin descompunerea valorii instantanee a vectorului curentului stator I s în două componente: componenta longitudinală a curentului statoric I sd (crearea câmpului) și componenta transversală a curentului stator I sq (crearea cuplului) într-un sistem de coordonate dq rotativ orientat de-a lungul câmpului rotor (R -FOC – control orientat pe flux rotor) - imaginea de mai sus. Astfel, controlul unui motor AC fără perii devine identic cu controlul și poate fi realizat utilizând un invertor PWM cu un regulator PI liniar și modulare a tensiunii vectoriale spațiale.

În controlul orientat pe câmp, cuplul și câmpul sunt controlate indirect prin controlul componentelor vectorului curent al statorului.

Valorile instantanee ale curenților statorului sunt convertite în sistemul de coordonate rotativ dq folosind transformarea Park αβ/dq, care necesită și informații despre poziția rotorului. Câmpul este controlat prin componenta de curent longitudinal I sd , în timp ce cuplul este controlat prin componenta de curent transversal I sq . Transformarea inversă Park (dq/αβ), un modul de transformare a coordonatelor matematice, permite calcularea componentelor de referință ale vectorului de tensiune V sα * și V sβ * .

Pentru a determina poziția rotorului, se folosește fie un senzor de poziție a rotorului instalat în motorul electric, fie un algoritm de control fără senzori implementat în sistemul de control, care calculează informații despre poziția rotorului în timp real pe baza datelor disponibile în sistemul de control.

În figura de mai jos este prezentată o diagramă bloc a controlului direct al cuplului cu modulație vectorială spațială cu ajustarea legăturii cuplului și fluxului cu feedback care funcționează într-un sistem de coordonate dreptunghiular orientat de-a lungul câmpului statorului. Ieșirile regulatoarelor de legătură de cuplu și flux PI sunt interpretate ca componente de referință ale tensiunii statorice V ψ * și V M * în sistemul de coordonate dq orientat de-a lungul câmpului statorului (controlul orientat pe flux al statorului englez, S-FOC). Aceste comenzi (tensiuni constante) sunt apoi convertite într-un sistem de coordonate fix αβ, după care valorile de control V sα * și V sβ * sunt trimise la modulul de modulație vectorială spațială.

Schema funcțională a controlului direct al cuplului cu modularea tensiunii vectoriale spațiale

Vă rugăm să rețineți că acest circuit poate fi considerat ca un control simplificat orientat pe câmp (S-FOC) fără o buclă de control al curentului sau ca un circuit clasic (PUM-TV, tabel de comutare engleză DTC, ST DTC) în care masa de comutare este înlocuit cu un modulator (SVM), iar controlerul de cuplu de histerezis și de flux sunt înlocuite cu controlere PI liniare.

În controlul direct al cuplului cu modulație vectorială spațială (DTC-FCM), cuplul și legătura fluxului sunt controlate direct într-o buclă închisă, astfel încât este necesară o estimare precisă a fluxului și cuplului motorului. Spre deosebire de algoritmul clasic de histerezis, acesta funcționează la o frecvență de comutare constantă. Acest lucru îmbunătățește semnificativ performanța sistemului de control: reduce cuplul și pulsațiile debitului, permițându-vă să porniți cu încredere motorul și să operați la turații mici. Dar, în același timp, caracteristicile dinamice ale unității sunt reduse.

Controloare de cuplu neliniare

Grupul de controlere de cuplu prezentat se îndepărtează de la ideea transformării coordonatelor și controlului prin analogie cu un motor DC cu perie, care este baza pentru. Regulatoarele neliniare propun înlocuirea controlului separat cu controlul continuu (histereză), care corespunde ideologiei de funcționare (pornit-oprit) a dispozitivelor semiconductoare ale invertorului.

În comparație cu controlul orientat pe câmp, schemele de control direct al cuplului au următoarele caracteristici:

Avantaje:
• schemă simplă de control;
• nu există circuite de curent sau control de curent continuu;
• nu este necesară transformarea coordonatelor;
• nu există modulare separată a tensiunii;
• nu este necesar senzor de poziție;
• dinamica buna.

Defecte:
• este necesară o evaluare precisă a vectorului de legătură a fluxului magnetic al statorului și a cuplului;
• pulsații puternice de cuplu și curent datorită regulatorului neliniar (histerezis) și frecvenței de comutare variabile a comutatoarelor;
• zgomot cu un spectru larg datorită frecvenței de comutare variabile.

Control direct al cuplului

Metoda de control direct al cuplului cu un tabel de incluziune a fost descrisă pentru prima dată de Takahashi și Noguchi într-o lucrare IEEJ prezentată în septembrie 1984 și mai târziu într-o lucrare IEEE publicată în septembrie 1986. Proiectarea metodei clasice de control direct al cuplului (DTC) este mult mai simplă decât cea a metodei de control în câmp (), deoarece nu necesită transformarea sistemelor de coordonate și măsurarea poziției rotorului. Diagrama metodei de control direct al cuplului (figura de mai jos) conține un estimator de cuplu și de flux statoric, comparatori de cuplu de histerezis și de flux, un tabel de comutare și un invertor.

Principiul metodei control direct al cuplului constă în alegerea unui vector de tensiune pentru controlul simultan al legăturii cuplului și fluxului statoric. Curenții de stator măsurați și tensiunile invertorului sunt utilizați pentru a estima legătura fluxului și cuplul. Valorile estimate ale legăturii fluxului stator și ale cuplului sunt comparate cu semnalele de control ale legăturii fluxului stator ψ s * și respectiv cuplul motor M *, printr-un comparator de histerezis. Vectorul de tensiune de comandă al motorului electric necesar este selectat din tabelul de includere pe baza erorilor de legătură de flux digitalizate d Ψ și cuplul d M generate de comparatoarele de histerezis, precum și pe baza sectorului de poziție al vectorului de legătură a fluxului stator obținut pe baza unghiulară a acestuia. poziţie . Astfel, impulsurile SA, S B și SC pentru controlul comutatoarelor de putere ale invertorului sunt generate prin selectarea unui vector din tabel.

Circuit clasic de control direct al cuplului cu masă de comutare cu senzor de viteză

Există multe variante ale circuitului clasic concepute pentru a îmbunătăți pornirea, condițiile de suprasarcină, funcționarea cu viteză foarte mică, reducerea ondulației cuplului, operarea la frecvențe de comutare variabile și reducerea nivelurilor de zgomot.

Dezavantajul metodei clasice de control direct al cuplului este prezența ondulațiilor de curent ridicat chiar și în stare staționară. Problema este eliminată prin creșterea frecvenței de operare a invertorului peste 40 kHz, ceea ce crește costul total al sistemului de control.

Autoguvernare directă

O cerere de brevet pentru metoda de autoguvernare directă a fost depusă de Depenbrock în octombrie 1984. Diagrama bloc a autoguvernării directe este prezentată mai jos.

Pe baza comenzilor de legare a fluxului statoric ψ s * și a componentelor fazei curente ψ sA , ψ sB și ψ sC , comparatoarele de legătură de flux generează semnale digitale d A , d B și d C , care corespund stărilor de tensiune activă (V 1 ). – V 6). Controlerul histeretic de cuplu are un semnal de ieșire d M, care determină stările zero. Astfel, regulatorul de legătură de flux al statorului stabilește intervalul de timp al stărilor de tensiune activă care mișcă vectorul de legătură a fluxului statorului de-a lungul unui traseu dat, iar regulatorul de cuplu determină intervalul de timp al stărilor de tensiune zero care mențin cuplul motorului într-un câmp de toleranță determinat de histerezis.

Schema de autoguvernare directă

Trăsăturile caracteristice ale schemei de autoguvernare directă sunt:
• forme nesinusoidale ale legăturii fluxului și curentului statoric;
• vectorul de legătură a fluxului stator se deplasează de-a lungul unei traiectorii hexagonale;
• nu există rezervă de tensiune de alimentare, capacitățile invertorului sunt pe deplin utilizate;
• frecvența de comutare a invertorului este mai mică decât cea a controlului direct al cuplului cu o masă de comutare;
• dinamică excelentă în intervalele de câmp constant și slăbit.

Rețineți că performanța metodei de autocontrol direct poate fi reprodusă folosind un circuit cu o lățime a histerezisului de flux de 14%.

- Ce este controlul vectorial?
- Mentine curentul la 90 de grade.

Termenul „control vectorial” al motoarelor electrice este familiar pentru oricine a fost cel puțin oarecum interesat de întrebarea cum să controleze un motor AC folosind un microcontroler. Cu toate acestea, de obicei, în orice carte despre acționările electrice, capitolul despre controlul vectorial este situat undeva aproape de sfârșit, constând dintr-o grămadă de formule păroase cu referințe la toate celelalte capitole ale cărții. De ce nu vrei să înțelegi deloc această problemă? Și chiar și cele mai simple explicații încă trec prin ecuații de echilibru diferențial, diagrame vectoriale și o grămadă de alte matematici. Din această cauză, încercări de genul acesta par să pornească cumva motorul fără a utiliza hardware-ul. Dar, de fapt, controlul vectorial este foarte simplu dacă înțelegeți principiul funcționării sale „pe degete”. Și atunci va fi mai distractiv să te ocupi de formule dacă este necesar.

Principiul de funcționare al unei mașini sincrone

Să luăm în considerare principiul de funcționare al celui mai simplu motor de curent alternativ - o mașină sincronă cu magnet permanent. Un exemplu convenabil este o busolă: acul său magnetic este rotorul unei mașini sincrone, iar câmpul magnetic al Pământului este câmpul magnetic al statorului. Fără o sarcină externă (și nu există niciuna în busolă, cu excepția frecării și a fluidului care atenuează oscilațiile acului), rotorul este întotdeauna orientat de-a lungul câmpului statorului. Dacă ținem o busolă și rotim Pământul sub ea, acul se va învârti împreună cu el, făcând lucru pentru a amesteca fluidul în interiorul busolei. Dar există o modalitate puțin mai simplă - puteți lua un magnet extern, de exemplu, sub forma unei tije cu poli la capete, al cărei câmp este mult mai puternic decât câmpul magnetic al Pământului, aduceți-l la busolă de sus și rotiți magnetul. Săgeata se va deplasa urmând câmpul magnetic rotativ. Într-un motor sincron real, câmpul statorului este creat de electromagneți - bobine cu curent. Circuitele de înfășurare de acolo sunt complexe, dar principiul este același - creează un câmp magnetic cu statorul, îndreptat în direcția dorită și având amplitudinea necesară. Să ne uităm la următoarea figură (Figura 1). În centru se află un magnet - rotorul unui motor sincron („săgeata” busolei), iar pe laturi sunt doi electromagneți - bobine, fiecare creând propriul câmp magnetic, unul în axa verticală, celălalt. în orizontală.

Figura 1. Principiul de funcționare al unei mașini electrice sincrone

Fluxul magnetic al bobinei este proporțional cu curentul din ea (cu o primă aproximare). Ne va interesa fluxul magnetic de la stator în locul în care se află rotorul, adică. în centrul imaginii (neglijăm efectele de margine, împrăștierea și orice altceva). Fluxurile magnetice a două bobine situate perpendicular sunt adăugate vectorial, formând un flux comun pentru interacțiunea cu rotorul. Dar, deoarece fluxul este proporțional cu curentul din bobină, este convenabil să desenați vectorii de curent direct, aliniindu-i cu fluxul. Figura prezintă niște curenti eu αŞi eu β, creând fluxuri magnetice de-a lungul axelor α și respectiv β. Vectorul curentului total al statorului eu s creează un flux magnetic statoric codirigit. Aceste. în esență eu s simbolizează magnetul extern pe care l-am adus la busolă, dar creat de electromagneți - bobine cu curent.
În figură, rotorul este situat într-o poziție arbitrară, dar din această poziție rotorul va tinde să se rotească în funcție de fluxul magnetic al statorului, adică. prin vector eu s(poziția rotorului în acest caz este indicată de linia punctată). În consecință, dacă aplicați curent doar fazei α , să zicem eu α= 1A, rotorul va sta pe orizontală, iar dacă este în β, pe verticală, și dacă aplicați eu β= -1 Și apoi se va întoarce cu 180 de grade. Dacă furnizați curent eu α conform legii sinusului și eu β conform legii cosinusului timpului se va crea un câmp magnetic rotativ. Rotorul îl va urma și se va învârti (ca un ac de busolă urmărește rotația unui magnet cu mâna). Acesta este principiul de bază al funcționării unei mașini sincrone, în acest caz o mașină cu două faze cu o pereche de plusuri.
Să desenăm un grafic al cuplului motorului în funcție de poziția unghiulară a arborelui rotorului și de vectorul curent eu s stator – caracteristică unghiulară a unui motor sincron. Această dependență este sinusoidală (Figura 2).

Figura 2. Caracteristica unghiulară a unei mașini sincrone (există o confuzie istorică aici cu semnele momentului și unghiului, motiv pentru care caracteristica este adesea desenată inversată față de axa orizontală).

Pentru a obține acest grafic în practică, puteți pune un senzor de cuplu pe arborele rotorului, apoi porniți orice vector de curent, de exemplu, aplicați pur și simplu curent la faza α. Rotorul se va roti în poziția corespunzătoare, care trebuie luată ca zero. Apoi, prin intermediul senzorului de cuplu, trebuie să rotiți rotorul „cu mâna”, fixând unghiul de pe grafic în fiecare punct θ , care a fost întors, și momentul în care senzorul a arătat. Aceste. trebuie să întindeți „arcul magnetic” al motorului prin senzorul de cuplu. Cel mai mare moment va fi la un unghi de 90 de grade față de vectorul curent (de la început). Amplitudinea cuplului maxim rezultat Mmax este proporțională cu amplitudinea vectorului curent aplicat. Dacă se aplică 1A, obținem, de exemplu, M max = 1 N∙m (newton*metru, unitate de măsură a cuplului), dacă aplicăm 2A, obținem M max = 2 N∙m.

Din această caracteristică rezultă că motorul dezvoltă cel mai mare cuplu atunci când rotorul se află la 90° față de vectorul curent. Deoarece, la crearea unui sistem de control pe un microcontroler, dorim să obținem cel mai mare cuplu de la motor cu un minim de pierderi, iar pierderile, în primul rând, sunt curentul din înfășurări, este cel mai rațional să setăm întotdeauna curentul. vector la 90° față de câmpul magnetic al rotorului, adică perpendicular pe magnetul din figura 1. Trebuie să schimbăm totul invers - rotorul nu se mișcă spre vectorul curent pe care l-am setat, dar setăm întotdeauna vectorul curent la 90° față de rotor, indiferent de modul în care se rotește acolo , adică „cuie” vectorul curent pe rotor. Vom regla cuplul motorului prin amplitudinea curentului. Cu cât amplitudinea este mai mare, cu atât cuplul este mai mare. Dar frecvența de rotație, frecvența curentului în înfășurări nu mai este afacerea „noastre” - ce se întâmplă, cum se rotește rotorul, așa va fi - controlăm cuplul pe arbore. Destul de ciudat, acesta este exact ceea ce se numește control vectorial - atunci când controlăm vectorul curentului statorului astfel încât acesta să fie la 90° față de câmpul magnetic al rotorului. Deși unele manuale oferă definiții mai largi, până la punctul în care controlul vectorial se referă în general la orice legi de control în care sunt implicați „vectori”, dar de obicei controlul vectorial se referă exact la metoda de control de mai sus.

Construirea unei structuri de control vectorial

Dar cum se realizează controlul vectorial în practică? Evident, mai întâi trebuie să știi poziția rotorului, astfel încât să ai ceva de măsurat 90° față de. Cel mai simplu mod de a face acest lucru este prin instalarea senzorului de poziție în sine pe arborele rotorului. Apoi trebuie să vă dați seama cum să creați un vector de curent, menținând curenții doriti în faze α Şi β . Aplicăm tensiune motorului, nu curent... Dar pentru că vrem să susținem ceva, trebuie să-l măsurăm. Prin urmare, pentru controlul vectorial veți avea nevoie de senzori de curent de fază. Apoi, trebuie să asamblați o structură de control vectorial sub forma unui program pe un microcontroler care va face restul. Pentru ca această explicație să nu arate ca o instrucțiune despre „cum să desenezi o bufniță”, haideți să continuăm scufundarea.
Puteți menține curentul cu microcontrolerul folosind un regulator de curent PI (proporțional-integral) software și PWM. De exemplu, o structură cu un regulator de curent pentru o fază α este prezentată mai jos (Figura 3).

Figura 3. Structura de control curent-închis pentru o fază

Iată setarea curentă eu α_back– o anumită constantă, curentul pe care vrem să-l menținem pentru această fază, de exemplu 1A. Sarcina este trimisă la sumatorul actual al regulatorului, a cărui structură dezvăluită este prezentată mai sus. Dacă cititorul nu știe cum funcționează controlerul PI, atunci vai. Pot să recomand doar câteva dintre acestea. Regulatorul de curent de ieșire stabilește tensiunea de fază U α. Tensiunea este furnizată blocului PWM, care calculează setările ciclului de lucru (setări de comparație) pentru temporizatoarele PWM ale microcontrolerului, care generează PWM pe un invertor punte de patru comutatoare pentru a genera acest lucru. U α. Algoritmul poate fi diferit, de exemplu, pentru tensiune pozitivă, PWM-ul rack-ului din dreapta este proporțional cu setarea tensiunii, comutatorul inferior este închis la stânga, pentru PWM negativ, comutatorul din stânga este închis, comutatorul inferior este închis. pe dreapta. Nu uitați să adăugați timp mort! Drept urmare, o astfel de structură face din software o „sursă de curent” în detrimentul unei surse de tensiune: setăm valoarea de care avem nevoie eu α_back, iar această structură o implementează cu o anumită viteză.

În plus, poate că unii cititori s-au gândit deja că structura de control vectorial este doar o chestiune mică - trebuie să instalați două regulatoare de curent, un regulator pentru fiecare fază și să le formați o sarcină în funcție de unghiul de la senzorul de poziție a rotorului ( RPS), adică de ex. faceți ceva ca această structură (Figura 4):

Figura 4. Structura de control vectorială incorectă (naiv).

Nu poți face asta. Când rotorul se rotește, variabilele eu α_backŞi eu β_înapoi va fi sinusoidală, adică sarcina actualilor de reglementare se va schimba tot timpul. Viteza controlerului nu este infinită, așa că atunci când sarcina se schimbă, nu o procesează imediat. Dacă sarcina este schimbată în mod constant, atunci regulatorul o va ajunge mereu din urmă, fără a ajunge niciodată la ea. Și pe măsură ce viteza de rotație a motorului crește, întârzierea curentului real de la cel dat va deveni din ce în ce mai mare, până când unghiul dorit de 90° între curent și magnetul rotorului încetează să mai fie deloc similar cu acesta, iar vectorul controlul încetează să mai fie așa. De aceea o fac altfel. Structura corectă este următoarea (Figura 5):

Figura 5. Structura de control al senzorului vectorial pentru mașina sincronă în două faze

Două blocuri au fost adăugate aici - BKP_1 și BKP_2: blocuri de transformări de coordonate. Ei fac un lucru foarte simplu: rotesc vectorul de intrare cu un unghi dat. Mai mult, BOD_1 se transformă în + ϴ și BKP_2 pe - ϴ . Asta e toată diferența dintre ei. În literatura străină se numesc transformări de parc. BKP_2 realizează transformarea de coordonate pentru curenți: din axe fixe α Şi β , legat de statorul motorului, de axele de rotație dŞi q, legat de rotorul motorului (folosind unghiul de poziție a rotorului ϴ ). Și BKP_1 face transformarea inversă, de la setarea tensiunii de-a lungul axelor dŞi q face trecerea la axe α Şi β . Nu ofer formule pentru conversia coordonatelor, dar sunt simple și foarte ușor de găsit. De fapt, nu este nimic mai complicat decât geometria școlii (Figura 6):

Figura 6. Transformări de coordonate de la axele fixe α și β, legate de statorul motorului, la axele de rotație. dŞi q, legat de rotor

Adică, în loc să „rotiți” setările regulatoarelor (cum era cazul în structura anterioară), intrările și ieșirile lor se rotesc, iar regulatoarele în sine funcționează în modul static: curenți d, q iar ieșirile regulatoarelor în regim staționar sunt constante. Axe dŞi q se rotesc împreună cu rotorul (deoarece sunt rotite de un semnal de la senzorul de poziție a rotorului), în timp ce regulatorul de axe q reglează exact curentul pe care la începutul articolului l-am numit „perpendicular pe câmpul rotorului”, adică este un curent generator de cuplu, iar curentul d este aliniat cu „magnetul rotorului”, așa că nu avem nevoie de el și îl setăm egal cu zero. Această structură este lipsită de dezavantajul primei structuri - actualii reglementatori nici măcar nu știu că ceva se învârte pe undeva. Ei lucrează în modul static: și-au ajustat fiecare dintre curenții, au ajuns la tensiunea specificată - și atât, la fel ca rotorul, nu fugiți de ei, nici nu vor ști despre asta: toată munca de strunjirea se face prin blocuri de transformare de coordonate.

Pentru a explica „pe degete”, puteți da o analogie.

Pentru trafic liniar, să fie, de exemplu, un autobuz urban. Accelerează constant, apoi încetinește, apoi merge înapoi și, în general, se comportă așa cum vrea: este un rotor de motor. De asemenea, ești într-o mașină în apropiere, conducând în paralel: sarcina ta este să fii exact în mijlocul autobuzului: „ține 90°”, voi sunteți actualii reglementatori. Dacă autobuzul își schimbă viteza tot timpul, ar trebui să modificați și viteza în consecință și să o monitorizați tot timpul. Dar acum vom face „control vectorial” pentru tine. Te-ai urcat în interiorul autobuzului, ai stat în mijloc și te-ai ținut de balustradă - ca și autobuzul, nu fugi, poți face față cu ușurință sarcinii de „a fi în mijlocul autobuzului”. În mod similar, regulatoarele de curent, „rulând” în axele de rotație d, q ale rotorului, duc o viață ușoară.

Structura de mai sus funcționează de fapt și este utilizată în acționările electrice moderne. Numai că îi lipsesc o grămadă de mici „îmbunătățiri”, fără de care nu se mai obișnuiește să o facă, cum ar fi compensarea conexiunilor încrucișate, diverse restricții, slăbirea câmpului etc. Dar acesta este principiul de bază.

Și dacă trebuie să reglați nu cuplul de antrenare, ci totuși viteza (viteza unghiulară corectă, frecvența de rotație)? Ei bine, atunci instalăm un alt controler PI - un regulator de viteză (RS). La intrare dăm o comandă de viteză, iar la ieșire avem o comandă de cuplu. Deoarece curentul axei q este proporțională cu cuplul, apoi pentru a-l simplifica, ieșirea regulatorului de viteză poate fi alimentată direct la intrarea controlerului de curent al axei q, astfel (Figura 7):

Figura 7. Controler de viteză pentru control vectorial
Aici SI, setatorul de intensitate, își schimbă ușor puterea, astfel încât motorul să accelereze în ritmul dorit și să nu conducă la curent maxim până când viteza este setată. Viteza curentă ω luate de la manipulatorul senzorului de poziție a rotorului, din moment ce ω aceasta este derivata poziției unghiulare ϴ . Ei bine, sau pur și simplu puteți măsura timpul dintre impulsurile senzorului...

Cum se procedează la fel pentru un motor trifazat? Ei bine, de fapt, nimic special, adăugați un alt bloc și schimbați modulul PWM (Figura 8).

Figura 8. Structura de control al senzorului vectorial pentru mașina sincronă trifazată

Curenții trifazici, la fel ca și cei bifazici, servesc unui singur scop - de a crea un vector de curent stator eu s, îndreptată în direcția dorită și având amplitudinea dorită. Prin urmare, curenții trifazici pot fi pur și simplu transformați în bifazi și apoi lăsați același sistem de control care a fost deja asamblat pentru o mașină cu două faze. În literatura de limba engleză, o astfel de „recalculare” se numește transformare Clarke (Edith Clarke este ea), la noi se numește transformări de fază. În structura din Figura 8, în consecință, acest lucru este realizat de blocul de transformare de fază. Se fac din nou folosind cursul de geometrie școlară (Figura 9):

Figura 9. Conversii de fază - de la trei faze la două. Pentru comoditate, presupunem că amplitudinea vectorului I s este egală cu amplitudinea curentului în fază

Cred că nu sunt necesare comentarii. Câteva cuvinte despre curentul fazei C. Nu este nevoie să instalați acolo un senzor de curent, deoarece cele trei faze ale motorului sunt conectate într-o stea și, conform legii lui Kirchhoff, tot ceea ce trece prin două faze trebuie să iasă din al treilea (cu excepția cazului în care, desigur, există o gaură în izolația motorului dvs. și jumătate nu s-a scurs undeva pe carcasă), prin urmare, curentul fazei C este calculat ca suma scalară a curenților fazelor A și B cu un semnul minus. Deși uneori este instalat un al treilea senzor pentru a reduce eroarea de măsurare.

De asemenea, este necesară o reparație completă a modulului PWM. De obicei, un invertor trifazat cu șase întrerupătoare este utilizat pentru motoarele trifazate. În figură, comanda de tensiune ajunge încă în axe bifazate. În interiorul modulului PWM, folosind transformări de fază inversă, puteți converti acest lucru în tensiuni ale fazelor A, B, C, care trebuie aplicate motorului în acest moment. Dar ce să faci în continuare... Opțiunile sunt posibile. O metodă naivă este de a seta un ciclu de lucru pentru fiecare rack invertor proporțional cu tensiunea dorită plus 0,5. Aceasta se numește undă sinusoidală PWM. Aceasta este exact metoda pe care autorul a folosit-o în habrahabr.ru/post/128407. Totul este bun în această metodă, cu excepția faptului că această metodă va subutiliza invertorul de tensiune - adică. tensiunea maximă care va fi obținută va fi mai mică decât ați putea obține dacă ați folosi o metodă PWM mai avansată.

Hai să facem calculul. Permiteți-vă un convertor de frecvență clasic, alimentat de o rețea industrială trifazată 380V 50Hz. Aici 380V este tensiunea efectivă liniară (între faze). Deoarece convertorul conține un redresor, acesta va redresa această tensiune și magistrala DC va avea o tensiune egală cu tensiunea liniară de amplitudine, adică. 380∙√2=540V DC tensiune (cel puțin fără sarcină). Dacă aplicăm un algoritm de calcul sinusoidal în modulul PWM, atunci amplitudinea tensiunii maxime de fază pe care o putem atinge va fi egală cu jumătate din tensiunea de pe magistrala DC, adică. 540/2=270V. Să transformăm în fază efectivă: 270/√2=191V. Și acum la liniarul curent: 191∙√3=330V. Acum putem compara: a intrat 380V, dar a ieșit 330V... Și nu poți face nimic altceva cu acest tip de PWM. Pentru a corecta această problemă, se folosește așa-numitul tip vectorial PWM. Ieșirea sa va fi din nou de 380V (ideal, fără a lua în considerare toate căderile de tensiune). Vector PWM nu are nimic de-a face cu controlul vectorial al unui motor electric. Doar că rațiunea sa folosește din nou puțină geometrie școlară, motiv pentru care se numește vector. Cu toate acestea, opera lui nu poate fi explicată pe degete, așa că voi trimite cititorul la cărți (la sfârșitul articolului) sau la Wikipedia. De asemenea, vă pot oferi o imagine care indică ușor diferența în funcționarea PWM sinusoidal și vectorial (Figura 10):

Figura 10. Modificarea potențialelor de fază pentru PWM scalar și vectorial

Tipuri de senzori de poziție

Apropo, ce senzori de poziție sunt folosiți pentru controlul vectorial? Există patru tipuri de senzori cei mai des utilizați. Acestea sunt un encoder incremental în cuadratura, un encoder bazat pe elemente Hall, un encoder de poziție absolută și un encoder sincron.
Encoder în cuadratura nu indică poziția absolută a rotorului - prin impulsurile sale vă permite doar să determinați cât de departe ați călătorit, dar nu unde și de unde (cum sunt legate începutul și sfârșitul de locația magnetului rotorului). Prin urmare, nu este potrivit pentru controlul vectorial al unei mașini sincrone. Marca sa de referință (indicele) salvează puțin situația - există doar unul pe revoluție mecanică, dacă ajungeți la el, atunci poziția absolută devine cunoscută și din aceasta puteți număra deja cât ați parcurs folosind un semnal în cuadratura. Dar cum să ajungi la acest punct la începutul lucrării? În general, acest lucru nu este întotdeauna incomod.
Senzor element Hall- Acesta este un senzor brut. Produce doar câteva impulsuri pe rotație (în funcție de numărul de elemente Hall; pentru motoarele trifazate sunt de obicei trei, adică șase impulsuri), permițându-vă să cunoașteți poziția în valoare absolută, dar cu o precizie scăzută. Precizia este de obicei suficientă pentru a menține unghiul vectorului curent, astfel încât motorul să se miște cel puțin înainte și nu înapoi, dar cuplul și curenții vor pulsa. Dacă motorul a accelerat, atunci puteți începe să extrapolați programatic semnalul de la senzor în timp - adică. construiți un unghi care variază liniar dintr-un unghi discret grosier. Acest lucru se face pe baza ipotezei că motorul se rotește cu o viteză aproximativ constantă, ceva de genul acesta (Figura 11):

Figura 11. Funcționarea unui senzor de poziție element Hall pentru o mașină trifazată și extrapolarea semnalului acestuia

Adesea, pentru servomotoarele este folosită o combinație de codificator și senzor cu efect Hall. În acest caz, puteți realiza un singur modul software pentru procesarea lor, eliminând dezavantajele ambelor: faceți extrapolarea unghiului dată mai sus, dar nu după timp, ci după semnele de la codificator. Aceste. Un encoder funcționează în interiorul senzorului Hall de la o margine la alta și fiecare margine Hall inițializează în mod clar poziția unghiulară absolută curentă. În acest caz, doar prima mișcare a unității va fi neoptimă (nu la 90°), până când ajunge pe o parte din față a senzorului Hall. O problemă separată în acest caz este procesarea non-idealităților ambilor senzori - rareori cineva aranjează elementele Hall simetric și uniform...

În aplicații și mai scumpe pe care le folosesc codificator absolut cu o interfață digitală (encoder absolut), care oferă imediat poziția absolută și vă permite să evitați problemele descrise mai sus.

Dacă motorul electric este foarte fierbinte și, de asemenea, atunci când este necesară o precizie sporită a măsurării unghiului, utilizați „analogic” senzor sincron(resolvent, transformator rotativ). Aceasta este o mașină electrică mică folosită ca senzor. Imaginați-vă că în mașina sincronă pe care am considerat-o în Figura 1, în loc de magneți, există o altă bobină căreia îi aplicăm un semnal de înaltă frecvență. Dacă rotorul este orizontal, atunci semnalul va fi indus numai în bobina statorului de fază α , dacă vertical - atunci numai în β , daca il invarti la 180, faza semnalului se va schimba, iar in pozitii intermediare este indusa atat aici cat si acolo conform legii sinus/cosinus. În consecință, prin măsurarea amplitudinii semnalului în două bobine, poziția poate fi determinată și din raportul dintre această amplitudine și schimbarea de fază. Instalând o astfel de mașină ca senzor pe cea principală, puteți afla poziția rotorului.
Există mult mai mulți senzori de poziție exotici, în special pentru aplicații de ultra-înaltă precizie, cum ar fi fabricarea de cipuri electronice. Acolo, orice fenomene fizice sunt folosite doar pentru a afla poziția cât mai exact posibil. Nu le vom lua în considerare.

Simplificarea controlului vectorial

După cum înțelegeți, controlul vectorial este destul de solicitant - dați-i senzori de poziție, senzori de curent, control vectorial PWM și niciun microcontroler pentru a calcula toate aceste matematice. Prin urmare, pentru aplicații simple este simplificat. Pentru început, puteți elimina senzorul de poziție făcând control vectorial fără senzori. Pentru a face acest lucru, utilizați puțin mai multă magie matematică, situată în dreptunghiul galben (Figura 12):

Figura 12. Structura de control vectorial fără senzori

Un observator este un bloc care primește informații despre tensiunea aplicată motorului (de exemplu, dintr-o lucrare pe modulul PWM) și despre curenții din motor de la senzori. În interiorul observatorului există un model de motor electric, care, în linii mari, încearcă să-și ajusteze curenții din stator la cei măsurați de la un motor real. Dacă ea a reușit, atunci putem presupune că poziția rotorului simulat în interiorul arborelui coincide și cu cea reală și poate fi folosită pentru nevoile de control vectorial. Ei bine, acest lucru este, desigur, complet simplificat. Există nenumărate tipuri de observatori ca aceștia. Fiecare student absolvent specializat în acționări electrice încearcă să-și inventeze pe a lui, care este cumva mai bună decât altele. Principiul de bază este monitorizarea EMF a motorului electric. Prin urmare, cel mai adesea, un sistem de control fără senzori este operațional numai la viteze de rotație relativ mari, unde EMF este mare. Are, de asemenea, o serie de dezavantaje în comparație cu prezența unui senzor: trebuie să cunoașteți parametrii motorului, viteza de acționare este limitată (dacă viteza de rotație se modifică brusc, observatorul poate să nu aibă timp să o urmărească și să „mintă”. ” de ceva timp, sau chiar „se destramă” complet), configurarea unui observator este o procedură întreagă pentru funcționarea sa de înaltă calitate, trebuie să cunoașteți exact tensiunea motorului, să măsurați cu precizie curenții acestuia etc.

Există o altă opțiune de simplificare. De exemplu, puteți face așa-numita „comutare automată”. În acest caz, pentru un motor trifazat, abandonează metoda complexă PWM, abandonează structura vectorială complexă și încep pur și simplu să pornească fazele motorului folosind un senzor de poziție pe elementele Hall, chiar și uneori fără nicio limitare de curent. Curentul în faze nu este sinusoidal, ci trapezoidal, dreptunghiular sau chiar mai distorsionat. Dar ei încearcă să se asigure că vectorul curent mediu este încă la 90 de grade față de „magnetul rotorului”, alegând momentul în care fazele sunt pornite. În același timp, pornind faza sub tensiune, nu se știe când va crește curentul în faza motorului. La o viteză mică de rotație face acest lucru mai repede, la o viteză mare, unde interferează EMF-ul mașinii, o face mai lent, viteza de creștere a curentului depinde și de inductanța motorului etc. Prin urmare, chiar și incluzând fazele exact la momentul potrivit, nu este deloc un fapt că vectorul curent mediu va fi în locul potrivit și cu faza potrivită - poate fie să avanseze, fie să întârzie în raport cu cele 90 de grade optime. Prin urmare, în astfel de sisteme, este introdusă o setare „avans de comutare” - în esență, doar timpul, cât de multă tensiune mai devreme trebuie aplicată fazei motorului, astfel încât, în final, faza vectorului de curent să fie mai aproape de 90 de grade. Pur și simplu, acest lucru se numește „setarea timpurilor”. Deoarece curentul dintr-un motor electric în timpul autocomutației nu este sinusoidal, atunci dacă luați mașina sinusoidală discutată mai sus și o controlați în acest fel, cuplul de pe arbore va pulsa. Prin urmare, la motoarele proiectate pentru autocomutație, geometria magnetică a rotorului și a statorului este adesea schimbată într-un mod special pentru a le face mai potrivite pentru acest tip de control: EMF-ul unor astfel de mașini este făcut trapezoidal, datorită căruia funcționează mai bine în modul de comutație automată. Mașinile sincrone optimizate pentru comutație automată se numesc motoare de curent continuu fără perii (BLDC) sau în engleză BLDC (Motor de curent continuu fără perii). Modul de comutație automată este adesea numit și modul supapă, iar motoarele care funcționează cu acesta sunt de tip supapă. Dar toate acestea sunt doar nume diferite care nu afectează în niciun fel esența (dar operatorii experimentați cu acționare electrică suferă adesea de CPGS în probleme legate de aceste nume). Există un videoclip bun care ilustrează principiul de funcționare a unor astfel de mașini. Prezintă un motor inversat, cu rotorul în exterior și statorul în interior:

Dar există un curs de articole despre astfel de motoare și hardware-ul sistemului de control.

Puteți opta pentru o și mai mare simplificare. Comutați înfășurările astfel încât o fază să fie întotdeauna „liberă” și să nu i se aplice PWM. Apoi este posibil să se măsoare EMF (tensiunea indusă în bobina de fază), iar când această tensiune trece prin zero, utilizați-o ca semnal de la senzorul de poziție a rotorului, deoarece faza acestei tensiuni induse depinde exact de poziția rotor. Acest lucru are ca rezultat comutația automată fără senzori, care este utilizată pe scară largă în diverse acționări simple, de exemplu, în „regulatoare” pentru elice de model de aeronave. Trebuie amintit că EMF-ul mașinii apare doar la o viteză de rotație relativ mare, prin urmare, pentru a porni, astfel de sisteme de control pur și simplu comută lent fazele, în speranța că rotorul motorului va urma curentul furnizat. De îndată ce apare EMF, modul de comutație automată este activat. Prin urmare, un sistem fără senzori (atât de simplu și cel mai adesea complex) nu este potrivit pentru sarcini în care motorul trebuie să fie capabil să dezvolte cuplu la viteze aproape de zero, de exemplu, pentru o tracțiune a unei mașini (sau modelul acesteia). , un servomotor al unui mecanism etc. p. Dar sistemul fără senzori este potrivit cu succes pentru pompe și ventilatoare, unde este utilizat.

Dar uneori fac simplificări și mai mari. Puteți abandona complet microcontrolerul, cheile, senzorii de poziție și alte lucruri prin comutarea fazelor cu un comutator mecanic special (Figura 13):

Figura 13. Întrerupător mecanic pentru comutarea înfășurărilor

Când se rotește, rotorul însuși își schimbă părțile înfășurărilor, schimbând tensiunea aplicată acestora, în timp ce un curent alternativ curge în rotor. Comutatorul este poziționat în așa fel încât fluxul magnetic al rotorului și al statorului să fie din nou aproape de 90 de grade pentru a obține cuplul maxim. Astfel de motoare sunt numite naiv motoare cu curent continuu, dar complet nemeritat: în interior, după colector, curentul este încă alternativ!

Concluzie

Toate mașinile electrice funcționează în mod similar. În teoria acționărilor electrice, există chiar și conceptul de „mașină electrică generalizată”, la care se reduce munca altora. Explicațiile „practice” prezentate în articol nu pot servi în niciun caz drept ghid practic pentru scrierea codului microcontrolerului. Articolul discută bine dacă unul la sută din informațiile care sunt necesare pentru implementarea controlului vectorial real. Pentru a face ceva în practică, trebuie, în primul rând, să cunoașteți TAU, cel puțin la nivelul de înțelegere a modului în care funcționează controlerul PI. Apoi, mai trebuie să studiați descrierea matematică atât a mașinii sincrone, cât și a sintezei controlului vectorial. De asemenea, studiați vectorul PWM, aflați ce sunt perechile de poli, familiarizați-vă cu tipurile de înfășurări ale mașinii etc. Acest lucru se poate face în cea mai recentă carte „Anuchin A.S. Electric drive control systems. MPEI, 2015”, precum și în „Kalachev Yu N. Reglementare vectorială (note de practică)”. Cititorul ar trebui avertizat să nu se scufunde în formulele manualelor „vechi” despre unități, unde accentul principal este pe luarea în considerare a caracteristicilor motoarelor electrice atunci când sunt alimentate direct de la o rețea industrială trifazată, fără microcontrolere și senzori de poziție. Comportarea motoarelor în acest caz este descrisă prin formule și dependențe complexe, dar pentru problema controlului vectorial sunt aproape deloc de folos (dacă sunt studiate doar pentru auto-dezvoltare). Ar trebui să fiți deosebit de atenți la recomandările manualelor vechi, unde, de exemplu, se spune că o mașină sincronă nu ar trebui să funcționeze la cuplul maxim, deoarece funcționarea acolo este instabilă și amenință să se răstoarne - toate acestea sunt „sfaturi proaste”. ” pentru controlul vectorial.

Pe ce microcontroler puteți face control vectorial cu drepturi depline, citiți, de exemplu, în articolul nostru Noul microcontroler casnic de control al motoarelor K1921VK01T JSC NIIET și cum să îl depanați în articolul Metode de depanare a software-ului microcontrolerului într-o unitate electrică. Vizitați și site-ul nostru web: în special, există două videoclipuri plictisitoare postate acolo, care arată în practică cum să configurați un controler de curent PI, precum și cum funcționează o structură de control curent închis și fără senzori vectorial. În plus, puteți achiziționa un kit de depanare cu o structură de control vectorială a senzorului gata făcută pe un microcontroler casnic.

P.S.
Îmi cer scuze experților pentru manipularea nu complet corectă a unor termeni, în special termenii „flux”, „legătură de flux”, „câmp magnetic” și alții - simplitatea necesită sacrificiu...

Conform celor mai recente statistici, aproximativ 70% din toată energia electrică generată în lume este consumată de motoare electrice. Și în fiecare an acest procent crește.

Cu o metodă selectată corect de control al unui motor electric, este posibil să se obțină eficiență maximă, cuplu maxim pe arborele mașinii electrice și, în același timp, performanța generală a mecanismului va crește. Motoarele electrice care funcționează eficient consumă un minim de energie electrică și oferă eficiență maximă.

Pentru motoarele electrice alimentate de un invertor, eficiența va depinde în mare măsură de metoda aleasă de control al mașinii electrice. Numai prin înțelegerea meritelor fiecărei metode pot inginerii și proiectanții sistemelor de acționare să obțină performanța maximă din fiecare metodă de control.
Conţinut:

Metode de control

Mulți oameni care lucrează în domeniul automatizării, dar care nu sunt implicați îndeaproape în dezvoltarea și implementarea sistemelor de acționare electrică, consideră că controlul motoarelor electrice constă într-o secvență de comenzi introduse folosind o interfață de la un panou de control sau PC. Da, din punctul de vedere al ierarhiei generale de control a unui sistem automatizat, acest lucru este corect, dar există și modalități de a controla motorul electric în sine. Aceste metode vor avea un impact maxim asupra performanței întregului sistem.

Pentru motoarele asincrone conectate la un convertor de frecvență, există patru metode principale de control:

• U/f – volți pe herți;
• U/f cu encoder;
• Control vectorial în buclă deschisă;
• Control vectorial în buclă închisă;

Toate cele patru metode folosesc modularea lățimii impulsului PWM, care modifică lățimea unui semnal fix prin variarea lățimii impulsurilor pentru a crea un semnal analogic.

Modularea lățimii impulsului este aplicată unui convertor de frecvență prin utilizarea unei tensiuni fixe de magistrală de curent continuu. prin deschiderea și închiderea rapidă (mai corect, comutarea) generează impulsuri de ieșire. Variind lățimea acestor impulsuri la ieșire, se obține un „sinusoid” al frecvenței dorite. Chiar dacă forma tensiunii de ieșire a tranzistoarelor este pulsată, curentul se obține totuși sub formă de sinusoid, deoarece motorul electric are o inductanță care afectează forma curentului. Toate metodele de control se bazează pe modulația PWM. Diferența dintre metodele de control constă numai în metoda de calcul a tensiunii furnizate motorului electric.

În acest caz, frecvența purtătoare (indicată cu roșu) reprezintă frecvența maximă de comutare a tranzistoarelor. Frecvența purtătoare pentru invertoare este de obicei în intervalul 2 kHz - 15 kHz. Referința de frecvență (indicată cu albastru) este semnalul de comandă a frecvenței de ieșire. Pentru invertoarele utilizate în sistemele convenționale de acționare electrică, de regulă, variază de la 0 Hz la 60 Hz. Atunci când semnale de două frecvențe sunt suprapuse unul peste altul, va fi emis un semnal pentru deschiderea tranzistorului (indicat cu negru), care furnizează tensiune de alimentare motorului electric.

Metoda de control U/F

Controlul Volt-per-Hz, cel mai frecvent denumit U/F, este poate cea mai simplă metodă de control. Este adesea folosit în sistemele simple de acționare electrică datorită simplității și numărului minim de parametri necesari pentru funcționare. Această metodă de control nu necesită instalarea unui encoder și setări obligatorii pentru o acționare electrică cu frecvență variabilă (dar este recomandată). Acest lucru duce la costuri mai mici pentru echipamentele auxiliare (senzori, fire de feedback, relee etc.). Controlul U/F este destul de des folosit în echipamentele de înaltă frecvență, de exemplu, este adesea folosit în mașinile CNC pentru a conduce rotația axului.

Modelul cu cuplu constant are un cuplu constant pe întreaga gamă de viteze cu același raport U/F. Modelul cu raport de cuplu variabil are o tensiune de alimentare mai mică la viteze mici. Acest lucru este necesar pentru a preveni saturarea mașinii electrice.

U/F este singura modalitate de reglare a vitezei unui motor electric asincron, care permite controlul mai multor acționări electrice de la un convertor de frecvență. În consecință, toate mașinile pornesc și se opresc simultan și funcționează la aceeași frecvență.

Dar această metodă de control are mai multe limitări. De exemplu, atunci când utilizați metoda de control U/F fără un encoder, nu există absolut nicio certitudine că arborele unei mașini asincrone se rotește. În plus, cuplul de pornire al unei mașini electrice la o frecvență de 3 Hz este limitat la 150%. Da, cuplul limitat este mai mult decât suficient pentru a găzdui majoritatea echipamentelor existente. De exemplu, aproape toate ventilatoarele și pompele folosesc metoda de control U/F.

Această metodă este relativ simplă datorită specificațiilor sale mai slabe. Reglarea vitezei este de obicei în intervalul 2% - 3% din frecvența maximă de ieșire. Răspunsul la viteză este calculat pentru frecvențe peste 3 Hz. Viteza de răspuns a convertizorului de frecvență este determinată de viteza de răspuns a acestuia la modificările frecvenței de referință. Cu cât viteza de răspuns este mai mare, cu atât motorul electric va răspunde mai rapid la modificările setării vitezei.

Intervalul de control al vitezei când se utilizează metoda U/F este 1:40. Înmulțind acest raport cu frecvența maximă de funcționare a motorului electric, obținem valoarea frecvenței minime la care poate funcționa mașina electrică. De exemplu, dacă valoarea frecvenței maxime este de 60 Hz și intervalul este 1:40, atunci valoarea frecvenței minime va fi de 1,5 Hz.

Modelul U/F determină relația dintre frecvență și tensiune în timpul funcționării unui variator de frecvență. Conform acesteia, curba de setare a vitezei de rotație (frecvența motorului electric) va determina, pe lângă valoarea frecvenței, și valoarea tensiunii furnizate la bornele mașinii electrice.

Operatorii și tehnicienii pot selecta modelul de control U/F dorit cu un singur parametru într-un convertor de frecvență modern. Șabloanele preinstalate sunt deja optimizate pentru aplicații specifice. Există, de asemenea, oportunități de a crea propriile șabloane care vor fi optimizate pentru o anumită unitate de frecvență variabilă sau sistem de motor electric.

Dispozitivele precum ventilatoarele sau pompele au un cuplu de sarcină care depinde de viteza lor de rotație. Cuplul variabil (imaginea de mai sus) al modelului U/F previne erorile de control și îmbunătățește eficiența. Acest model de control reduce curenții de magnetizare la frecvențe joase prin reducerea tensiunii pe mașina electrică.

Mecanismele cu cuplu constant, cum ar fi transportoare, extrudere și alte echipamente, folosesc o metodă de control constant al cuplului. Cu sarcină constantă, este necesar un curent de magnetizare complet la toate vitezele. În consecință, caracteristica are o pantă dreaptă pe întregul interval de viteză.

Metoda de control U/F cu encoder

Dacă este necesar să creșteți precizia controlului vitezei de rotație, la sistemul de control este adăugat un encoder. Introducerea feedback-ului de viteză folosind un encoder vă permite să creșteți precizia controlului la 0,03%. Tensiunea de ieșire va fi în continuare determinată de modelul U/F specificat.

Această metodă de control nu este utilizată pe scară largă, deoarece avantajele pe care le oferă în comparație cu funcțiile U/F standard sunt minime. Cuplul de pornire, viteza de răspuns și domeniul de control al vitezei sunt toate identice cu U/F standard. În plus, atunci când frecvențele de funcționare cresc, pot apărea probleme cu funcționarea codificatorului, deoarece are un număr limitat de rotații.

Control vectorial în buclă deschisă

Controlul vectorial în buclă deschisă (VC) este utilizat pentru controlul mai larg și mai dinamic al vitezei unei mașini electrice. La pornirea de la un convertor de frecvență, motoarele electrice pot dezvolta un cuplu de pornire de 200% din cuplul nominal la o frecvență de numai 0,3 Hz. Acest lucru extinde în mod semnificativ lista de mecanisme în care poate fi utilizată o acționare electrică asincronă cu control vectorial. Această metodă vă permite, de asemenea, să controlați cuplul mașinii în toate cele patru cadrane.

Cuplul este limitat de motor. Acest lucru este necesar pentru a preveni deteriorarea echipamentelor, utilajelor sau produselor. Valoarea cuplurilor este împărțită în patru cadrane diferite, în funcție de sensul de rotație al mașinii electrice (înainte sau înapoi) și în funcție de implementarea motorului electric. Limitele pot fi setate individual pentru fiecare cadran sau utilizatorul poate seta cuplul total în convertizorul de frecvență.

Modul motor al unei mașini asincrone va fi prevăzut ca câmpul magnetic al rotorului să rămână în urma câmpului magnetic al statorului. Dacă câmpul magnetic al rotorului începe să depășească câmpul magnetic al statorului, atunci mașina va intra în modul de frânare regenerativă cu eliberare de energie, cu alte cuvinte, motorul asincron va trece în modul generator;

De exemplu, o mașină de acoperire a sticlei poate utiliza limitarea cuplului în cadranul 1 (direcția înainte cu cuplu pozitiv) pentru a preveni strângerea excesivă a capacului sticlei. Mecanismul se deplasează înainte și folosește cuplul pozitiv pentru a strânge capacul sticlei. Dar un dispozitiv precum un ascensor cu o contragreutate mai grea decât vagonul gol va folosi cadranul 2 (rotație inversă și cuplu pozitiv). Dacă cabina se ridică la ultimul etaj, atunci cuplul va fi opus vitezei. Acest lucru este necesar pentru a limita viteza de ridicare și pentru a preveni căderea liberă a contragreutății, deoarece este mai grea decât cabina.

Feedback-ul de curent în aceste convertoare de frecvență vă permite să stabiliți limite ale cuplului și curentului motorului electric, deoarece pe măsură ce curentul crește, cuplul crește și el. Tensiunea de ieșire a invertorului poate crește dacă mecanismul necesită un cuplu mai mare sau poate scădea dacă este atinsă valoarea maximă admisă. Acest lucru face ca principiul controlului vectorial al unei mașini asincrone să fie mai flexibil și mai dinamic în comparație cu principiul U/F.

De asemenea, convertizoarele de frecvență cu control vectorial și buclă deschisă au un răspuns la viteză mai rapid de 10 Hz, ceea ce face posibilă utilizarea în mecanisme cu sarcini de șoc. De exemplu, la concasoarele de roci, sarcina este în continuă schimbare și depinde de volumul și dimensiunile rocii care sunt prelucrate.

Spre deosebire de modelul de control U/F, controlul vectorial folosește un algoritm vectorial pentru a determina tensiunea maximă efectivă de funcționare a motorului electric.

Controlul vectorial VU rezolvă această problemă datorită prezenței feedback-ului asupra curentului motorului. De regulă, feedback-ul de curent este generat de transformatoarele de curent interne ale convertizorului de frecvență însuși. Folosind valoarea curentului obținut, convertizorul de frecvență calculează cuplul și fluxul mașinii electrice. Vectorul curent al motorului de bază este împărțit matematic într-un vector de curent de magnetizare (I d) și cuplu (I q).

Folosind datele și parametrii mașinii electrice, invertorul calculează vectorii curentului de magnetizare (I d) și ai cuplului (I q). Pentru a obține performanțe maxime, convertizorul de frecvență trebuie să țină I d și I q separate printr-un unghi de 90 0. Acest lucru este semnificativ deoarece sin 90 0 = 1, iar o valoare de 1 reprezintă valoarea maximă a cuplului.

În general, controlul vectorial al unui motor cu inducție oferă un control mai strict. Reglarea vitezei este de aproximativ ±0,2% din frecvența maximă, iar domeniul de reglare ajunge la 1:200, ceea ce poate menține cuplul atunci când rulează la viteze mici.

Controlul feedback-ului vectorial

Controlul vectorului de feedback utilizează același algoritm de control ca și VAC în buclă deschisă. Principala diferență este prezența unui encoder, care permite variatorului de frecvență să dezvolte un cuplu de pornire de 200% la 0 rpm. Acest punct este pur și simplu necesar pentru a crea un moment inițial la deplasarea lifturilor, macaralelor și a altor mașini de ridicat, pentru a preveni tasarea încărcăturii.

Prezența unui senzor de feedback al vitezei vă permite să măriți timpul de răspuns al sistemului la mai mult de 50 Hz, precum și să extindeți domeniul de control al vitezei la 1:1500. De asemenea, prezența feedback-ului vă permite să controlați nu viteza mașinii electrice, ci cuplul. În unele mecanisme, valoarea cuplului este de mare importanță. De exemplu, mașină de bobinat, mecanisme de înfundare și altele. În astfel de dispozitive este necesar să se regleze cuplul mașinii.

• Tutorial

- Ce este controlul vectorial?
- Mentine curentul la 90 de grade.

Termenul „control vectorial” al motoarelor electrice este familiar pentru oricine a fost cel puțin oarecum interesat de întrebarea cum să controleze un motor AC folosind un microcontroler. Cu toate acestea, de obicei, în orice carte despre acționările electrice, capitolul despre controlul vectorial este situat undeva aproape de sfârșit, constând dintr-o grămadă de formule păroase cu referințe la toate celelalte capitole ale cărții. De ce nu vrei să înțelegi deloc această problemă? Și chiar și cele mai simple explicații încă trec prin ecuații de echilibru diferențial, diagrame vectoriale și o grămadă de alte matematici. Din această cauză, încercări de genul acesta par să pornească cumva motorul fără a utiliza hardware-ul. Dar, de fapt, controlul vectorial este foarte simplu dacă înțelegeți principiul funcționării sale „pe degete”. Și atunci va fi mai distractiv să te ocupi de formule dacă este necesar.

Principiul de funcționare al unei mașini sincrone

Să luăm în considerare principiul de funcționare al celui mai simplu motor de curent alternativ - o mașină sincronă cu magnet permanent. Un exemplu convenabil este o busolă: acul său magnetic este rotorul unei mașini sincrone, iar câmpul magnetic al Pământului este câmpul magnetic al statorului. Fără o sarcină externă (și nu există niciuna în busolă, cu excepția frecării și a fluidului care atenuează oscilațiile acului), rotorul este întotdeauna orientat de-a lungul câmpului statorului. Dacă ținem o busolă și rotim Pământul sub ea, acul se va învârti împreună cu el, făcând lucru pentru a amesteca fluidul în interiorul busolei. Dar există o modalitate puțin mai simplă - puteți lua un magnet extern, de exemplu, sub forma unei tije cu poli la capete, al cărei câmp este mult mai puternic decât câmpul magnetic al Pământului, aduceți-l la busolă de sus și rotiți magnetul. Săgeata se va deplasa urmând câmpul magnetic rotativ. Într-un motor sincron real, câmpul statorului este creat de electromagneți - bobine cu curent. Circuitele de înfășurare de acolo sunt complexe, dar principiul este același - creează un câmp magnetic cu statorul, îndreptat în direcția dorită și având amplitudinea necesară. Să ne uităm la următoarea figură (Figura 1). În centru se află un magnet - rotorul unui motor sincron („săgeata” busolei), iar pe laturi sunt doi electromagneți - bobine, fiecare creând propriul câmp magnetic, unul în axa verticală, celălalt. în orizontală.

Figura 1. Principiul de funcționare al unei mașini electrice sincrone

Fluxul magnetic al bobinei este proporțional cu curentul din ea (cu o primă aproximare). Ne va interesa fluxul magnetic de la stator în locul în care se află rotorul, adică. în centrul imaginii (neglijăm efectele de margine, împrăștierea și orice altceva). Fluxurile magnetice a două bobine situate perpendicular sunt adăugate vectorial, formând un flux comun pentru interacțiunea cu rotorul. Dar, deoarece fluxul este proporțional cu curentul din bobină, este convenabil să desenați vectorii de curent direct, aliniindu-i cu fluxul. Figura prezintă niște curenti eu αŞi eu β, creând fluxuri magnetice de-a lungul axelor α și respectiv β. Vectorul curentului total al statorului eu s creează un flux magnetic statoric codirigit. Aceste. în esență eu s simbolizează magnetul extern pe care l-am adus la busolă, dar creat de electromagneți - bobine cu curent.
În figură, rotorul este situat într-o poziție arbitrară, dar din această poziție rotorul va tinde să se rotească în funcție de fluxul magnetic al statorului, adică. prin vector eu s(poziția rotorului în acest caz este indicată de linia punctată). În consecință, dacă aplicați curent doar fazei α , să zicem eu α= 1A, rotorul va sta pe orizontală, iar dacă este în β, pe verticală, și dacă aplicați eu β= -1 Și apoi se va întoarce cu 180 de grade. Dacă furnizați curent eu α conform legii sinusului și eu β conform legii cosinusului timpului se va crea un câmp magnetic rotativ. Rotorul îl va urma și se va învârti (ca un ac de busolă urmărește rotația unui magnet cu mâna). Acesta este principiul de bază al funcționării unei mașini sincrone, în acest caz o mașină cu două faze cu o pereche de plusuri.
Să desenăm un grafic al cuplului motorului în funcție de poziția unghiulară a arborelui rotorului și de vectorul curent eu s stator – caracteristică unghiulară a unui motor sincron. Această dependență este sinusoidală (Figura 2).

Figura 2. Caracteristica unghiulară a unei mașini sincrone (există o confuzie istorică aici cu semnele momentului și unghiului, motiv pentru care caracteristica este adesea desenată inversată față de axa orizontală).

Pentru a obține acest grafic în practică, puteți pune un senzor de cuplu pe arborele rotorului, apoi porniți orice vector de curent, de exemplu, aplicați pur și simplu curent la faza α. Rotorul se va roti în poziția corespunzătoare, care trebuie luată ca zero. Apoi, prin intermediul senzorului de cuplu, trebuie să rotiți rotorul „cu mâna”, fixând unghiul de pe grafic în fiecare punct θ , care a fost întors, și momentul în care senzorul a arătat. Aceste. trebuie să întindeți „arcul magnetic” al motorului prin senzorul de cuplu. Cel mai mare moment va fi la un unghi de 90 de grade față de vectorul curent (de la început). Amplitudinea cuplului maxim rezultat Mmax este proporțională cu amplitudinea vectorului curent aplicat. Dacă se aplică 1A, obținem, de exemplu, M max = 1 N∙m (newton*metru, unitate de măsură a cuplului), dacă aplicăm 2A, obținem M max = 2 N∙m.

Din această caracteristică rezultă că motorul dezvoltă cel mai mare cuplu atunci când rotorul se află la 90° față de vectorul curent. Deoarece, la crearea unui sistem de control pe un microcontroler, dorim să obținem cel mai mare cuplu de la motor cu un minim de pierderi, iar pierderile, în primul rând, sunt curentul din înfășurări, este cel mai rațional să setăm întotdeauna curentul. vector la 90° față de câmpul magnetic al rotorului, adică perpendicular pe magnetul din figura 1. Trebuie să schimbăm totul invers - rotorul nu se mișcă spre vectorul curent pe care l-am setat, dar setăm întotdeauna vectorul curent la 90° față de rotor, indiferent de modul în care se rotește acolo , adică „cuie” vectorul curent pe rotor. Vom regla cuplul motorului prin amplitudinea curentului. Cu cât amplitudinea este mai mare, cu atât cuplul este mai mare. Dar frecvența de rotație, frecvența curentului în înfășurări nu mai este afacerea „noastre” - ce se întâmplă, cum se rotește rotorul, așa va fi - controlăm cuplul pe arbore. Destul de ciudat, acesta este exact ceea ce se numește control vectorial - atunci când controlăm vectorul curentului statorului astfel încât acesta să fie la 90° față de câmpul magnetic al rotorului. Deși unele manuale oferă definiții mai largi, până la punctul în care controlul vectorial se referă în general la orice legi de control în care sunt implicați „vectori”, dar de obicei controlul vectorial se referă exact la metoda de control de mai sus.

Construirea unei structuri de control vectorial

Dar cum se realizează controlul vectorial în practică? Evident, mai întâi trebuie să știi poziția rotorului, astfel încât să ai ceva de măsurat 90° față de. Cel mai simplu mod de a face acest lucru este prin instalarea senzorului de poziție în sine pe arborele rotorului. Apoi trebuie să vă dați seama cum să creați un vector de curent, menținând curenții doriti în faze α Şi β . Aplicăm tensiune motorului, nu curent... Dar pentru că vrem să susținem ceva, trebuie să-l măsurăm. Prin urmare, pentru controlul vectorial veți avea nevoie de senzori de curent de fază. Apoi, trebuie să asamblați o structură de control vectorial sub forma unui program pe un microcontroler care va face restul. Pentru ca această explicație să nu arate ca o instrucțiune despre „cum să desenezi o bufniță”, haideți să continuăm scufundarea.
Puteți menține curentul cu microcontrolerul folosind un regulator de curent PI (proporțional-integral) software și PWM. De exemplu, o structură cu un regulator de curent pentru o fază α este prezentată mai jos (Figura 3).

Figura 3. Structura de control curent-închis pentru o fază

Iată setarea curentă eu α_back– o anumită constantă, curentul pe care vrem să-l menținem pentru această fază, de exemplu 1A. Sarcina este trimisă la sumatorul actual al regulatorului, a cărui structură dezvăluită este prezentată mai sus. Dacă cititorul nu știe cum funcționează controlerul PI, atunci vai. Pot să recomand doar câteva dintre acestea. Regulatorul de curent de ieșire stabilește tensiunea de fază U α. Tensiunea este furnizată blocului PWM, care calculează setările ciclului de lucru (setări de comparație) pentru temporizatoarele PWM ale microcontrolerului, care generează PWM pe un invertor punte de patru comutatoare pentru a genera acest lucru. U α. Algoritmul poate fi diferit, de exemplu, pentru tensiune pozitivă, PWM-ul rack-ului din dreapta este proporțional cu setarea tensiunii, comutatorul inferior este închis la stânga, pentru PWM negativ, comutatorul din stânga este închis, comutatorul inferior este închis. pe dreapta. Nu uitați să adăugați timp mort! Drept urmare, o astfel de structură face din software o „sursă de curent” în detrimentul unei surse de tensiune: setăm valoarea de care avem nevoie eu α_back, iar această structură o implementează cu o anumită viteză.

În plus, poate că unii cititori s-au gândit deja că structura de control vectorial este doar o chestiune mică - trebuie să instalați două regulatoare de curent, un regulator pentru fiecare fază și să le formați o sarcină în funcție de unghiul de la senzorul de poziție a rotorului ( RPS), adică de ex. faceți ceva ca această structură (Figura 4):

Figura 4. Structura de control vectorială incorectă (naiv).

Nu poți face asta. Când rotorul se rotește, variabilele eu α_backŞi eu β_înapoi va fi sinusoidală, adică sarcina actualilor de reglementare se va schimba tot timpul. Viteza controlerului nu este infinită, așa că atunci când sarcina se schimbă, nu o procesează imediat. Dacă sarcina este schimbată în mod constant, atunci regulatorul o va ajunge mereu din urmă, fără a ajunge niciodată la ea. Și pe măsură ce viteza de rotație a motorului crește, întârzierea curentului real de la cel dat va deveni din ce în ce mai mare, până când unghiul dorit de 90° între curent și magnetul rotorului încetează să mai fie deloc similar cu acesta, iar vectorul controlul încetează să mai fie așa. De aceea o fac altfel. Structura corectă este următoarea (Figura 5):

Figura 5. Structura de control al senzorului vectorial pentru mașina sincronă în două faze

Două blocuri au fost adăugate aici - BKP_1 și BKP_2: blocuri de transformări de coordonate. Ei fac un lucru foarte simplu: rotesc vectorul de intrare cu un unghi dat. Mai mult, BOD_1 se transformă în + ϴ și BKP_2 pe - ϴ . Asta e toată diferența dintre ei. În literatura străină se numesc transformări de parc. BKP_2 realizează transformarea de coordonate pentru curenți: din axe fixe α Şi β , legat de statorul motorului, de axele de rotație dŞi q, legat de rotorul motorului (folosind unghiul de poziție a rotorului ϴ ). Și BKP_1 face transformarea inversă, de la setarea tensiunii de-a lungul axelor dŞi q face trecerea la axe α Şi β . Nu ofer formule pentru conversia coordonatelor, dar sunt simple și foarte ușor de găsit. De fapt, nu este nimic mai complicat decât geometria școlii (Figura 6):

Figura 6. Transformări de coordonate de la axele fixe α și β, legate de statorul motorului, la axele de rotație. dŞi q, legat de rotor

Adică, în loc să „rotiți” setările regulatoarelor (cum era cazul în structura anterioară), intrările și ieșirile lor se rotesc, iar regulatoarele în sine funcționează în modul static: curenți d, q iar ieșirile regulatoarelor în regim staționar sunt constante. Axe dŞi q se rotesc împreună cu rotorul (deoarece sunt rotite de un semnal de la senzorul de poziție a rotorului), în timp ce regulatorul de axe q reglează exact curentul pe care la începutul articolului l-am numit „perpendicular pe câmpul rotorului”, adică este un curent generator de cuplu, iar curentul d este aliniat cu „magnetul rotorului”, așa că nu avem nevoie de el și îl setăm egal cu zero. Această structură este lipsită de dezavantajul primei structuri - actualii reglementatori nici măcar nu știu că ceva se învârte pe undeva. Ei lucrează în modul static: și-au ajustat fiecare dintre curenții, au ajuns la tensiunea specificată - și atât, la fel ca rotorul, nu fugiți de ei, nici nu vor ști despre asta: toată munca de strunjirea se face prin blocuri de transformare de coordonate.

Pentru a explica „pe degete”, puteți da o analogie.

Pentru trafic liniar, să fie, de exemplu, un autobuz urban. Accelerează constant, apoi încetinește, apoi merge înapoi și, în general, se comportă așa cum vrea: este un rotor de motor. De asemenea, ești într-o mașină în apropiere, conducând în paralel: sarcina ta este să fii exact în mijlocul autobuzului: „ține 90°”, voi sunteți actualii reglementatori. Dacă autobuzul își schimbă viteza tot timpul, ar trebui să modificați și viteza în consecință și să o monitorizați tot timpul. Dar acum vom face „control vectorial” pentru tine. Te-ai urcat în interiorul autobuzului, ai stat în mijloc și te-ai ținut de balustradă - ca și autobuzul, nu fugi, poți face față cu ușurință sarcinii de „a fi în mijlocul autobuzului”. În mod similar, regulatoarele de curent, „rulând” în axele de rotație d, q ale rotorului, duc o viață ușoară.

Structura de mai sus funcționează de fapt și este utilizată în acționările electrice moderne. Numai că îi lipsesc o grămadă de mici „îmbunătățiri”, fără de care nu se mai obișnuiește să o facă, cum ar fi compensarea conexiunilor încrucișate, diverse restricții, slăbirea câmpului etc. Dar acesta este principiul de bază.

Și dacă trebuie să reglați nu cuplul de antrenare, ci totuși viteza (viteza unghiulară corectă, frecvența de rotație)? Ei bine, atunci instalăm un alt controler PI - un regulator de viteză (RS). La intrare dăm o comandă de viteză, iar la ieșire avem o comandă de cuplu. Deoarece curentul axei q este proporțională cu cuplul, apoi pentru a-l simplifica, ieșirea regulatorului de viteză poate fi alimentată direct la intrarea controlerului de curent al axei q, astfel (Figura 7):

Figura 7. Controler de viteză pentru control vectorial
Aici SI, setatorul de intensitate, își schimbă ușor puterea, astfel încât motorul să accelereze în ritmul dorit și să nu conducă la curent maxim până când viteza este setată. Viteza curentă ω luate de la manipulatorul senzorului de poziție a rotorului, din moment ce ω aceasta este derivata poziției unghiulare ϴ . Ei bine, sau pur și simplu puteți măsura timpul dintre impulsurile senzorului...

Cum se procedează la fel pentru un motor trifazat? Ei bine, de fapt, nimic special, adăugați un alt bloc și schimbați modulul PWM (Figura 8).

Figura 8. Structura de control al senzorului vectorial pentru mașina sincronă trifazată

Curenții trifazici, la fel ca și cei bifazici, servesc unui singur scop - de a crea un vector de curent stator eu s, îndreptată în direcția dorită și având amplitudinea dorită. Prin urmare, curenții trifazici pot fi pur și simplu transformați în bifazi și apoi lăsați același sistem de control care a fost deja asamblat pentru o mașină cu două faze. În literatura de limba engleză, o astfel de „recalculare” se numește transformare Clarke (Edith Clarke este ea), la noi se numește transformări de fază. În structura din Figura 8, în consecință, această operație este realizată de un bloc de transformare de fază. Se fac din nou folosind cursul de geometrie școlară (Figura 9):

Figura 9. Conversii de fază - de la trei faze la două. Pentru comoditate, presupunem că amplitudinea vectorului I s este egală cu amplitudinea curentului în fază

Cred că nu sunt necesare comentarii. Câteva cuvinte despre curentul fazei C. Nu este nevoie să instalați acolo un senzor de curent, deoarece cele trei faze ale motorului sunt conectate într-o stea și, conform legii lui Kirchhoff, tot ceea ce trece prin două faze trebuie să iasă din al treilea (cu excepția cazului în care, desigur, există o gaură în izolația motorului dvs. și jumătate nu s-a scurs undeva pe carcasă), prin urmare, curentul fazei C este calculat ca suma scalară a curenților fazelor A și B cu un semnul minus. Deși uneori este instalat un al treilea senzor pentru a reduce eroarea de măsurare.

De asemenea, este necesară o reparație completă a modulului PWM. De obicei, un invertor trifazat cu șase întrerupătoare este utilizat pentru motoarele trifazate. În figură, comanda de tensiune ajunge încă în axe bifazate. În interiorul modulului PWM, folosind transformări de fază inversă, puteți converti acest lucru în tensiuni ale fazelor A, B, C, care trebuie aplicate motorului în acest moment. Dar ce să faci în continuare... Opțiunile sunt posibile. O metodă naivă este de a seta un ciclu de lucru pentru fiecare rack invertor proporțional cu tensiunea dorită plus 0,5. Aceasta se numește undă sinusoidală PWM. Aceasta este exact metoda pe care autorul a folosit-o în habrahabr.ru/post/128407. Totul este bun în această metodă, cu excepția faptului că această metodă va subutiliza invertorul de tensiune - adică. tensiunea maximă care va fi obținută va fi mai mică decât ați putea obține dacă ați folosi o metodă PWM mai avansată.

Hai să facem calculul. Permiteți-vă un convertor de frecvență clasic, alimentat de o rețea industrială trifazată 380V 50Hz. Aici 380V este tensiunea efectivă liniară (între faze). Deoarece convertorul conține un redresor, acesta va redresa această tensiune și magistrala DC va avea o tensiune egală cu tensiunea liniară de amplitudine, adică. 380∙√2=540V DC tensiune (cel puțin fără sarcină). Dacă aplicăm un algoritm de calcul sinusoidal în modulul PWM, atunci amplitudinea tensiunii maxime de fază pe care o putem atinge va fi egală cu jumătate din tensiunea de pe magistrala DC, adică. 540/2=270V. Să transformăm în fază efectivă: 270/√2=191V. Și acum la liniarul curent: 191∙√3=330V. Acum putem compara: a intrat 380V, dar a ieșit 330V... Și nu poți face nimic altceva cu acest tip de PWM. Pentru a corecta această problemă, se folosește așa-numitul tip vectorial PWM. Ieșirea sa va fi din nou de 380V (ideal, fără a lua în considerare toate căderile de tensiune). Metoda PWM vectorială nu are nimic de-a face cu controlul vectorial al unui motor electric. Doar că rațiunea sa folosește din nou puțină geometrie școlară, motiv pentru care se numește vector. Totuși, opera lui nu poate fi explicată pe degete, așa că voi trimite cititorul la cărți (la sfârșitul articolului) sau la Wikipedia. De asemenea, vă pot oferi o imagine care indică ușor diferența în funcționarea PWM sinusoidal și vectorial (Figura 10):

Figura 10. Modificarea potențialelor de fază pentru PWM scalar și vectorial

Tipuri de senzori de poziție

Apropo, ce senzori de poziție sunt folosiți pentru controlul vectorial? Există patru tipuri de senzori cei mai des utilizați. Acestea sunt un encoder incremental în cuadratura, un encoder bazat pe elemente Hall, un encoder de poziție absolută și un encoder sincron.
Encoder în cuadratura nu indică poziția absolută a rotorului - prin impulsurile sale vă permite doar să determinați cât de departe ați călătorit, dar nu unde și de unde (cum sunt legate începutul și sfârșitul de locația magnetului rotorului). Prin urmare, nu este potrivit pentru controlul vectorial al unei mașini sincrone. Marca sa de referință (indicele) salvează puțin situația - există doar unul pe revoluție mecanică, dacă ajungeți la el, atunci poziția absolută devine cunoscută și din aceasta puteți număra deja cât ați parcurs folosind un semnal în cuadratura. Dar cum să ajungi la acest punct la începutul lucrării? În general, acest lucru nu este întotdeauna convenabil.
Senzor element Hall- Acesta este un senzor brut. Produce doar câteva impulsuri pe rotație (în funcție de numărul de elemente Hall; pentru motoarele trifazate sunt de obicei trei, adică șase impulsuri), permițându-vă să cunoașteți poziția în valoare absolută, dar cu o precizie scăzută. Precizia este de obicei suficientă pentru a menține unghiul vectorului curent, astfel încât motorul să se miște cel puțin înainte și nu înapoi, dar cuplul și curenții vor pulsa. Dacă motorul a accelerat, atunci puteți începe să extrapolați programatic semnalul de la senzor în timp - adică. construiți un unghi care variază liniar dintr-un unghi discret grosier. Acest lucru se face pe baza ipotezei că motorul se rotește cu o viteză aproximativ constantă, ceva de genul acesta (Figura 11):

Figura 11. Funcționarea unui senzor de poziție element Hall pentru o mașină trifazată și extrapolarea semnalului acestuia

Adesea, pentru servomotoarele este folosită o combinație de codificator și senzor cu efect Hall. În acest caz, puteți realiza un singur modul software pentru procesarea lor, eliminând dezavantajele ambelor: faceți extrapolarea unghiului dată mai sus, dar nu după timp, ci după semnele de la codificator. Aceste. Un encoder funcționează în interiorul senzorului Hall de la o margine la alta și fiecare margine Hall inițializează în mod clar poziția unghiulară absolută curentă. În acest caz, doar prima mișcare a unității va fi neoptimă (nu la 90°), până când ajunge pe o parte din față a senzorului Hall. O problemă separată în acest caz este procesarea non-idealităților ambilor senzori - rareori cineva aranjează elementele Hall simetric și uniform...

În aplicații și mai scumpe pe care le folosesc codificator absolut cu o interfață digitală (encoder absolut), care oferă imediat poziția absolută și vă permite să evitați problemele descrise mai sus.

Dacă motorul electric este foarte fierbinte și, de asemenea, atunci când este necesară o precizie sporită a măsurării unghiului, utilizați „analogic” senzor sincron(resolvent, transformator rotativ). Aceasta este o mașină electrică mică folosită ca senzor. Imaginați-vă că în mașina sincronă pe care am considerat-o în Figura 1, în loc de magneți, există o altă bobină căreia îi aplicăm un semnal de înaltă frecvență. Dacă rotorul este orizontal, atunci semnalul va fi indus numai în bobina statorului de fază α , dacă vertical - atunci numai în β , daca il invarti la 180, faza semnalului se va schimba, iar in pozitii intermediare este indusa atat aici cat si acolo conform legii sinus/cosinus. În consecință, prin măsurarea amplitudinii semnalului în două bobine, poziția poate fi determinată și din raportul dintre această amplitudine și schimbarea de fază. Instalând o astfel de mașină ca senzor pe cea principală, puteți afla poziția rotorului.
Există mult mai mulți senzori de poziție exotici, în special pentru aplicații de ultra-înaltă precizie, cum ar fi fabricarea de cipuri electronice. Acolo, orice fenomene fizice sunt folosite doar pentru a afla poziția cât mai exact posibil. Nu le vom lua în considerare.

Simplificarea controlului vectorial

După cum înțelegeți, controlul vectorial este destul de solicitant - dați-i senzori de poziție, senzori de curent, control vectorial PWM și niciun microcontroler pentru a calcula toate aceste matematice. Prin urmare, pentru aplicații simple este simplificat. Pentru început, puteți elimina senzorul de poziție făcând control vectorial fără senzori. Pentru a face acest lucru, utilizați puțin mai multă magie matematică, situată în dreptunghiul galben (Figura 12):

Figura 12. Structura de control vectorial fără senzori

Un observator este un bloc care primește informații despre tensiunea aplicată motorului (de exemplu, dintr-o lucrare pe modulul PWM) și despre curenții din motor de la senzori. În interiorul observatorului există un model de motor electric, care, în linii mari, încearcă să-și ajusteze curenții din stator la cei măsurați de la un motor real. Dacă ea a reușit, atunci putem presupune că poziția rotorului simulat în interiorul arborelui coincide și cu cea reală și poate fi folosită pentru nevoile de control vectorial. Ei bine, acest lucru este, desigur, complet simplificat. Există nenumărate tipuri de observatori ca aceștia. Fiecare student absolvent specializat în acționări electrice încearcă să-și inventeze pe a lui, care este cumva mai bună decât altele. Principiul de bază este monitorizarea EMF a motorului electric. Prin urmare, cel mai adesea, un sistem de control fără senzori este operațional numai la viteze de rotație relativ mari, unde EMF este mare. Are, de asemenea, o serie de dezavantaje în comparație cu prezența unui senzor: trebuie să cunoașteți parametrii motorului, viteza de acționare este limitată (dacă viteza de rotație se modifică brusc, observatorul poate să nu aibă timp să o urmărească și să „mintă”. ” de ceva timp, sau chiar „se destramă” complet), configurarea unui observator este o procedură întreagă pentru funcționarea sa de înaltă calitate, trebuie să cunoașteți exact tensiunea motorului, să măsurați cu precizie curenții acestuia etc.

Există o altă opțiune de simplificare. De exemplu, puteți face așa-numita „comutare automată”. În acest caz, pentru un motor trifazat, abandonează metoda complexă PWM, abandonează structura vectorială complexă și încep pur și simplu să pornească fazele motorului folosind un senzor de poziție pe elementele Hall, chiar și uneori fără nicio limitare de curent. Curentul în faze nu este sinusoidal, ci trapezoidal, dreptunghiular sau chiar mai distorsionat. Dar ei încearcă să se asigure că vectorul curent mediu este încă la 90 de grade față de „magnetul rotorului”, alegând momentul în care fazele sunt pornite. În același timp, pornind faza sub tensiune, nu se știe când va crește curentul în faza motorului. La o viteză mică de rotație face acest lucru mai repede, la o viteză mare, unde interferează EMF-ul mașinii, o face mai lent, viteza de creștere a curentului depinde și de inductanța motorului etc. Prin urmare, chiar și incluzând fazele exact la momentul potrivit, nu este deloc un fapt că vectorul curent mediu va fi în locul potrivit și cu faza potrivită - poate fie să avanseze, fie să întârzie în raport cu cele 90 de grade optime. Prin urmare, în astfel de sisteme, este introdusă o setare „avans de comutare” - în esență, doar timpul, cât de multă tensiune mai devreme trebuie aplicată fazei motorului, astfel încât, în final, faza vectorului de curent să fie mai aproape de 90 de grade. Pur și simplu, acest lucru se numește „setarea timpurilor”. Deoarece curentul dintr-un motor electric în timpul autocomutației nu este sinusoidal, atunci dacă luați mașina sinusoidală discutată mai sus și o controlați în acest fel, cuplul de pe arbore va pulsa. Prin urmare, la motoarele proiectate pentru autocomutație, geometria magnetică a rotorului și a statorului este adesea schimbată într-un mod special pentru a le face mai potrivite pentru acest tip de control: EMF-ul unor astfel de mașini este făcut trapezoidal, datorită căruia funcționează mai bine în modul de comutație automată. Mașinile sincrone optimizate pentru comutație automată se numesc motoare de curent continuu fără perii (BLDC) sau în engleză BLDC (Motor de curent continuu fără perii). Modul de comutație automată este adesea numit și modul supapă, iar motoarele care funcționează cu acesta sunt de tip supapă. Dar toate acestea sunt doar nume diferite care nu afectează în niciun fel esența (dar operatorii experimentați cu acționare electrică suferă adesea de CPGS în probleme legate de aceste nume). Există un videoclip bun care ilustrează principiul de funcționare a unor astfel de mașini. Prezintă un motor inversat, cu rotorul în exterior și statorul în interior:

Dar există un curs de articole despre astfel de motoare și hardware-ul sistemului de control.

Puteți opta pentru o și mai mare simplificare. Comutați înfășurările astfel încât o fază să fie întotdeauna „liberă” și să nu i se aplice PWM. Apoi este posibil să se măsoare EMF (tensiunea indusă în bobina de fază), iar când această tensiune trece prin zero, utilizați-o ca semnal de la senzorul de poziție a rotorului, deoarece faza acestei tensiuni induse depinde exact de poziția rotor. Acest lucru are ca rezultat comutația automată fără senzori, care este utilizată pe scară largă în diverse acționări simple, de exemplu, în „regulatoare” pentru elice de model de aeronave. Trebuie amintit că EMF-ul mașinii apare doar la o viteză de rotație relativ mare, prin urmare, pentru a porni, astfel de sisteme de control pur și simplu comută lent fazele, în speranța că rotorul motorului va urma curentul furnizat. De îndată ce apare EMF, modul de comutație automată este activat. Prin urmare, un sistem fără senzori (atât de simplu și cel mai adesea complex) nu este potrivit pentru sarcini în care motorul trebuie să fie capabil să dezvolte cuplu la viteze aproape de zero, de exemplu, pentru o tracțiune a unei mașini (sau modelul acesteia). , un servomotor al unui mecanism etc. p. Dar sistemul fără senzori este potrivit cu succes pentru pompe și ventilatoare, unde este utilizat.

Dar uneori fac simplificări și mai mari. Puteți abandona complet microcontrolerul, cheile, senzorii de poziție și alte lucruri prin comutarea fazelor cu un comutator mecanic special (Figura 13):

Figura 13. Întrerupător mecanic pentru comutarea înfășurărilor

Când se rotește, rotorul însuși își schimbă părțile înfășurărilor, schimbând tensiunea aplicată acestora, în timp ce un curent alternativ curge în rotor. Comutatorul este poziționat în așa fel încât fluxul magnetic al rotorului și al statorului să fie din nou aproape de 90 de grade pentru a obține cuplul maxim. Astfel de motoare sunt numite naiv motoare cu curent continuu, dar complet nemeritat: înăuntru, după colector, curentul este încă alternativ!

Concluzie

Toate mașinile electrice funcționează în mod similar. În teoria acționărilor electrice, există chiar și conceptul de „mașină electrică generalizată”, la care se reduce munca altora. Explicațiile „practice” prezentate în articol nu pot servi în niciun caz drept ghid practic pentru scrierea codului microcontrolerului. Articolul discută bine dacă unul la sută din informațiile care sunt necesare pentru implementarea controlului vectorial real. Pentru a face ceva în practică, trebuie, în primul rând, să cunoașteți TAU, cel puțin la nivelul de înțelegere a modului în care funcționează controlerul PI. Apoi, mai trebuie să studiați descrierea matematică atât a mașinii sincrone, cât și a sintezei controlului vectorial. De asemenea, studiați vectorul PWM, aflați ce sunt perechile de poli, familiarizați-vă cu tipurile de înfășurări ale mașinii etc. Acest lucru se poate face în cea mai recentă carte „Anuchin A.S. Electric drive control systems. MPEI, 2015”, precum și în „Kalachev Yu N. Reglementare vectorială (note de practică)”. Cititorul ar trebui avertizat să nu se scufunde în formulele manualelor „vechi” despre unități, unde accentul principal este pe luarea în considerare a caracteristicilor motoarelor electrice atunci când sunt alimentate direct de la o rețea industrială trifazată, fără microcontrolere și senzori de poziție. Comportarea motoarelor în acest caz este descrisă prin formule și dependențe complexe, dar pentru problema controlului vectorial sunt aproape deloc de folos (dacă sunt studiate doar pentru auto-dezvoltare). Ar trebui să fiți deosebit de atenți la recomandările manualelor vechi, unde, de exemplu, se spune că o mașină sincronă nu ar trebui să funcționeze la cuplul maxim, deoarece funcționarea acolo este instabilă și amenință să se răstoarne - toate acestea sunt „sfaturi proaste”. ” pentru controlul vectorial.

Pe ce microcontroler puteți face control vectorial cu drepturi depline, citiți, de exemplu, în articolul nostru Noul microcontroler casnic de control al motoarelor K1921VK01T JSC NIIET și cum să îl depanați în articolul Metode de depanare a software-ului microcontrolerului într-o unitate electrică. Vizitați și site-ul nostru web: în special, există două videoclipuri plictisitoare postate acolo, care arată în practică cum să configurați un controler de curent PI, precum și cum funcționează o structură de control curent închis și fără senzori vectorial. În plus, puteți achiziționa un kit de depanare cu o structură de control vectorială a senzorului gata făcută pe un microcontroler casnic.

Continuarea articolului, care vorbește despre motoare asincrone.

P.S.
Îmi cer scuze experților pentru manipularea nu complet corectă a unor termeni, în special termenii „flux”, „legătură de flux”, „câmp magnetic” și alții - simplitatea necesită sacrificiu...

Etichete: Adăugați etichete

Control vectorial

Control vectorial este o metodă de control al motoarelor sincrone și asincrone, nu doar generând curenți (tensiuni) armonici ai fazelor (control scalar), dar și asigură controlul fluxului magnetic al rotorului. Primele implementări ale principiului controlului vectorial și ale algoritmilor de înaltă precizie necesită utilizarea senzorilor de poziție (viteză) a rotorului.

În general, sub „ control vectorial„ se referă la interacțiunea dispozitivului de control cu ​​așa-numitul „vector spațial”, care se rotește cu frecvența câmpului motor.

Aparat matematic de control vectorial

Fundația Wikimedia.

2010.

Hârtie de calc cu el. Vektorregelung. O metodă de control a vitezei de rotație și/sau a cuplului unui motor electric folosind influența unui convertor de antrenare electrică asupra componentelor vectoriale ale curentului statorului motorului electric. În literatura în limba rusă în ... Wikipedia

Soluția problemei de control optim a teoriei matematice, în care acțiunea de control u=u(t) se formează sub forma unei funcție a timpului (prin urmare se presupune că în timpul procesului nu există altă informație decât cea dată la inceputul intra in sistem...... Enciclopedie matematică

- (acționare controlată în frecvență, PNC, Variable Frequency Drive, VFD) sistem pentru controlul vitezei rotorului a unui motor electric asincron (sau sincron). Este format din motorul electric în sine și un convertor de frecvență... Wikipedia

Acest termen are alte semnificații, vezi CNC (sensuri). Se propune fuzionarea acestei pagini cu CNC. Explicarea motivelor și discuție pe pagina Wikipedia: Spre unificare/25 f... Wikipedia

Statorul și rotorul unei mașini asincrone 0,75 kW, 1420 rpm, 50 Hz, 230-400 V, 3,4 2,0 ​​A O mașină asincronă este o mașină electrică cu curent alternativ ... Wikipedia

- (DPR) parte a unui motor electric. La motoarele electrice cu comutator, senzorul de poziție a rotorului este o unitate de comutator cu perii, care este și un comutator de curent. La motoarele electrice fără perii, senzorul de poziție a rotorului poate fi de diferite tipuri... Wikipedia

DS3 DS3 010 Date de bază Țara de construcție ... Wikipedia

O mașină asincronă este o mașină electrică cu curent alternativ, a cărei viteză a rotorului nu este egală cu (mai mică decât) viteza de rotație a câmpului magnetic creat de curentul înfășurării statorului. Mașinile asincrone sunt cele mai comune electrice... ... Wikipedia

Acest termen are alte semnificații, vezi Convertor de frecvență. Acest articol ar trebui să fie Wikified. Vă rugăm să-l formatați conform regulilor de formatare a articolelor... Wikipedia

DS3 ... Wikipedia

Cărți

• Controlul vectorial de economisire a energiei al motoarelor electrice asincrone: revizuirea stării și noi rezultate: Monografia, Borisevich A.V.. Monografia este dedicată metodelor de creștere a eficienței energetice a controlului vectorial al motoarelor electrice asincrone. Se ia în considerare modelul unui motor electric asincron și principiul vectorului...