Векторное управление двигателем

Векторное управление - метод управления бесщеточными электродвигателями переменного тока, который позволяет независимо и практически безынерционно регулировать скорость вращения и момент на валу электродвигателя.

Главная идея векторного управления заключается в том, чтобы контролировать не только величину и частоту напряжения питания, но и фазу. Другими словами контролируется величина и угол пространственного вектора [1]. Векторное управление в сравнении со скалярным обладает более высокой производительностью. Векторное управление избавляет практически от всех недостатков скалярного управления.

    Преимущества векторного управления:
  • высокая точность регулирования скорости;
  • плавный старт и плавное вращение двигателя во всем диапазоне частот;
  • быстрая реакция на изменение нагрузки: при изменении нагрузки практически не происходит изменения скорости;
  • увеличенный диапазон управления и точность регулирования;
  • снижаются потери на нагрев и намагничивание, повышается КПД электродвигателя.
    К недостаткам векторного управления можно отнести:
  • необходимость задания параметров электродвигателя;
  • большие колебания скорости при постоянной нагрузке;
  • большая вычислительная сложность.
Векторное управление
Общая функциональная схема векторного управления

Общая блок-диаграмма высокопроизводительной системы управления скорости бесщеточного двигателя переменного тока показана на рисунке выше. Основой схемы являются контуры контроля магнитного потокосцепления и момента вместе с блоком оценки, который может быть реализован различными способами. При этом внешний контур управления скоростью в значительной степени унифицирован и генерирует управляющие сигналы для регуляторов момента М* и магнитного потокосцепления Ψ* (через блок управления потоком). Скорость двигателя может быть измерена датчиком (скорости / положения) или получена посредством оценщика, позволяющего реализовать бездатчиковое управление.

Классификация методов векторного управления

Начиная с семидесятых годов двадцатого века было предложено множество способов управления моментом. Не все из них нашли широкое применение в промышленности. Поэтому, в данной статье рассматриваются только самые популярные методы управления. Обсуждаемые методы контроля момента представлены для систем управления асинхронными двигателями и синхронными двигателями с постоянными магнитами с синусоидальной обратной ЭДС.

Существующие методы управления моментом могут быть классифицированы различным способом.

    Чаще всего методы управления моментом разделяют на следующие группы:
  • линейные (ПИ, ПИД) регуляторы;
  • нелинейные (гистерезисные) регуляторы.
Метод управления Диапазон регулирования скорости Погрешность скорости3, % Время нарастания момента, мс Пусковой момент Цена Описание
Скалярный 1:101 5-10 Не доступно Низкий Очень низкая Имеет медленный отклик при изменении нагрузки и небольшой диапазон регулирования скорости, но при этом прост в реализации.
Векторный Линейный Полеориентированное управление >1:2002 0 <1-2 Высокий Высокая Позволяет плавно и быстро управлять основными параметрами двигателя - моментом и скоростью. Для работы данного метода требуется информация о положении ротора.
Прямое управление моментом с ПВМ >1:2002 0 <1-2 Высокий Высокая Гибридный метод, разработанный для того чтобы объединить преимущества ПОУ и ПУМ.
Нелинейный Прямое управление моментом с таблицей включения >1:2002 0 <1 Высокий Высокая Имеет высокую динамику и простую схему, но характерной особенностью его работы являются высокие пульсации тока и момента.
Прямое самоуправление >1:2002 0 <1-2 Высокий Высокая Имеет частоту переключения инвертора ниже чем у других методов и предназначен для уменьшения потерь при управлении электродвигателями большой мощности.
Характеристики основных способов управления электродвигателями переменного тока [2]
Примечание:
  1. Без обратной связи.
  2. С обратной связью.
  3. В установившемся режиме

Среди векторного управления наиболее широко используются полеориентированное управление (FOC - field oriented control) и прямое управление моментом (DTC - direct torque control).

Линейные регуляторы момента

Линейные регуляторы момента работают вместе с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) напряжения. Регуляторы определяют требуемый вектор напряжения статора усредненный за период дискретизации. Вектор напряжения окончательно синтезируется методом ШИМ, в большинстве случаев используется пространственно векторная модуляция (ПВМ). В отличие от нелинейных схем управления моментом, где сигналы обрабатываются по мгновенным значениям, в линейных схемах контроля момента, линейный регулятор (ПИ) работает с значениями усредненными за период дискретизации. Поэтому частота выборки может быть уменьшена с 40 кГц у нелинейных регуляторов момента до 2-5 кГц в схемах линейных регуляторов момента.

Полеориентированное управление

Полеориентированное управление (ПОУ, англ. field oriented control, FOC) - метод регулирования, который управляет бесщеточным электродвигателем переменного тока (СДПМ, АДКР), как машиной постоянного тока с независимым возбуждением, подразумевая, что поле и момент могут контролироваться отдельно.

Полеориентированное управление, предложенное в 1970 году Блашке [3] и Хассе [4] основано на аналогии с механически коммутируемым коллекторным двигателем постоянного тока с независимым возбуждением. В этом двигателе разделены обмотки возбуждения и якоря, потокосцепление контролируется током возбуждения индуктора, а момент независимо управляется регулировкой тока якоря. Таким образом, токи потокосцепления и момента электрически и магнитно разделены.

Полеориентирпованное управление
Общая функциональная схема бездатчикового полеориентированного управления1
Примечание:
  1. Схема приведена в упрощенном виде.
    Подробная схема бездатчикового полеориентированного управления СДПМ с ротором с явно выраженными полюсами.

С другой стороны бесщеточные электродвигатели переменного тока (АДКР, СДПМ) чаще всего имеют трехфазную обмотку статора, и вектор тока статора Is используется для контроля и потокосцепления и момента. Таким образом, ток возбуждения и ток якоря объединены в вектор тока статора и не могут контролироваться раздельно. Разъединение может быть достигнуто математически - разложением мгновенного значения вектора тока статора Is на две компоненты: продольную составляющую тока статора Isd (создающую поле) и поперечную составляющую тока статора Isq (создающую момент) во вращающейся dq системе координат ориентированной по полю ротора (R-FOC – rotor flux-oriented control) - рисунок выше. Таким образом, управление бесщеточным двигателем переменного тока становится идентичным управлению КДПТ с независимым возбуждением и может быть осуществлено используя инвертер ШИМ с линейным ПИ регулятором и пространственно-векторной модуляцией напряжения.

В полеориентированном управлении момент и поле контролируются косвенно посредством управления составляющими вектора тока статора.

Мгновенные значения токов статора преобразовываются к dq вращающейся системе координат с помощью преобразования Парка αβ/dq, для выполнения которого также требуется информации о положении ротора. Поле контролируется через продольную составляющую тока Isd, в то время как момент контролируется через поперечную составляющую тока Isq. Обратное преобразование Парка (dq/αβ), математический модуль преобразования координат, позволяет вычислить опорные составляющие вектора напряжения V* и V*.

Формы сигналов на разных этапах преобразования
Формы сигналов на разных этапах преобразования

Для определения положения ротора используется либо датчик положения ротора установленный в электродвигателе либо реализованный в системе управления бездатчиковый алгоритм управления, который вычисляет информацию о положении ротора в режиме реального времени на основании тех данных, которые имеются в системе управления.

Прямое управление моментом с пространственно векторной модуляцией напряжения

Блок-схема прямого управления моментом с пространственно векторной модуляцией с регулировкой момента и потокосцепления с обратной связью работающей в прямоугольной системе координат ориентированной по полю статора представлена на рисунке ниже. Выходы ПИ регуляторов момента и потокосцепления интерпретируются как опорные составляющие напряжения статора Vψ* и VM* в системе координат dq ориентированной по полю статора (англ. stator flux-oriented control, S-FOC). Эти команды (постоянные напряжения) затем преобразуются в неподвижную систему координат αβ, после чего управляющие значения V* и V* поступают на модуль пространственно векторной модуляции.

Прямое управление моментом с пространственно векторной модуляцией напряжения
Функциональная схема прямого управления моментом с пространственно векторной модуляцией напряжения

Обратите внимание, что данная схема может рассматриваться как упрощенное управление ориентированное по полю статора (S-FOC) без контура управления током или как классическая схема прямого управления моментом с таблицей включения (ПУМ-ТВ, англ. switching table DTC, ST DTC) в которой таблица включения заменена модулятором (ПВМ), а гистерезисный регулятор момента и потока заменены линейными ПИ регуляторами.

В схеме прямого управления моментом с пространственно векторной модуляцией (ПУМ-ПВМ) момент и потокосцепление напрямую управляются в замкнутом контуре, поэтому необходима точная оценка потока и момента двигателя. В отличии от классического алгоритма гистерезисного прямого управления моментом, ПУМ-ПВМ работает на постоянной частоте переключения. Это значительно повышает характеристики системы управления: уменьшает пульсации момента и потока, позволяет уверенно запускать двигатель и работать на низких оборотах. Но при этом снижаются динамические характеристики привода.

Нелинейные регуляторы момента

Представленная группа регуляторов момента отходит от идеи преобразования координат и управления по аналогии с коллекторным двигателем постоянного тока, являющегося основой для полеориентированного управления. Нелинейные регуляторы предлагают заменить раздельное управление на непрерывное (гистерезисное) управление, которое соответствует идеологии работы (включено-выключено) полупроводниковых устройств инвертора.

В сравнении с полеориентированным управлением схемы прямого управления моментом имеют следующие характеристики:

    Преимущества:
  • простая схема управления;
  • отсутствуют контуры тока и прямое регулирование тока;
  • не требуется преобразование координат;
  • отсутствует отдельная модуляция напряжения;
  • датчик положения не требуется;
  • хорошая динамика.
    Недостатки:
  • требуется точная оценка вектора магнитного потокосцепления статора и момента;
  • сильные пульсации момента и тока из-за нелинейного (гистерезисного) регулятора и переменной частоты переключения ключей;
  • шум с широким спектром из-за переменной частоты переключения.

Прямое управление моментом

Впервые метод прямого управления моментом с таблицей включения был описан Такахаси и Ногучи в статье IEEJ представленной в сентябре 1984 года и позже в статье IEEE опубликованной в сентябре 1986 года [5]. Схема классического метода прямого управления моментом (ПУМ) на много проще, чем у метода управления по полю (ПОУ), так как не требуется преобразования систем координат и измерения положения ротора. Схема метода прямого управления моментом (рисунок ниже) содержит оценщик момента и потокосцепления статора, гистерезисные компараторы момента и потокосцепления, таблицу включения и инвертор.

Принцип метода прямого управления моментом заключается в выборе вектора напряжения для одновременного управления и моментом и потокосцеплением статора. Измеренные токи статора и напряжение инвертора используются для оценки потокосцепления и момента. Оцененные значения потокосцепления статора psi est и момента M est сравниваются с управляющими сигналами потокосцепления статора ψs* и момента двигателя M* соответственно посредством гистерезисного компаратора. Требуемый вектор напряжения управления электродвигателем выбирается из таблицы включения исходя из оцифрованных ошибок потокосцепления dΨ и момента dM генерируемых гистерезисными компараторами, а также исходя из сектора положения вектора потокосцепления статора Nthetas полученного исходя из его углового положения theta. Таким образом, импульсы SA, SB и SC для управления силовыми ключами инвертора генерируются посредством выбора вектора из таблицы.

Прямое управление моментом с таблицей включения
Классическая схема прямого управления моментом с таблицей включения с датчиком скорости
    Характерные черты схемы ПУМ-ТВ:
  • синусоидальные формы потокосцепления и токов статора с коэффициентом гармоник определяемым зоной гистерезиса (зоной нечувствительности) регуляторов потокосцепления и момента;
  • отличная динамика момента;
  • зоны гистерезиса потокосцепления и момента определяют частоту переключения инвертора, которая изменяется с изменением синхронной скорости и изменением нагрузки [2].

Имеется множество вариаций классической схемы ПУМ-ТВ нацеленых на улучшение пуска, условий перегрузки, работы на очень низких скоростях, уменьшение пульсаций момента, работу на переменной частоте переключения и уменьшение уровня шумов.

Недостатком классического метода прямого управления моментом является наличие высоких пульсаций тока и момента в установившемся состоянии. Проблема устраняется повышением рабочей частоты инвертора выше 40кГц, что увеличивает общую стоимость системы управления [1].

Прямое сомоуправление

Заявка на патент метода прямого самоуправления была подана Депенброком в октябре 1984 года [6]. Блок схема прямого самоуправления показана ниже.

Основываясь на командах потокосцепления статора ψs* и текущих фазовых составляющих ψsA, ψsB и ψsC компараторы потокосцепления генерируют цифровые сигналы dA, dB и dC, которые соответствуют активным состояниям напряжений (V1 – V6). Гистерезисный регулятор момента имеет на выходе сигнал dM, который определяет нулевые состояния. Таким образом, регулятор потокосцепления статора задает отрезок времени активных состояний напряжений, которые перемещают вектор потокосцепления статора по заданной траектории, а регулятор момента определяет отрезок времени нулевых состояний напряжений, которые поддерживают момент электродвигателя в определенном гистерезисом поле допуска.

Прямое самоуправление двигателем
Схема прямого самоуправления
    Характерными особенностями схемы прямого самоуправления являются:
  • несинусоидальные формы потокосцепления и тока статора;
  • вектор потокосцепления статора перемещается по шестиугольной траектории;
  • нет запаса по напряжению питания, возможности инвертора используются полностью;
  • частота переключения инвертора ниже чем у прямого управления моментом с таблицей включения;
  • отличная динамика в диапазонах постоянного и ослабленного поля.

Заметьте, что работа метода прямого самоуправления может быть воспроизведена с помощью схемы ПУМ-ТВ при ширине гистерезиса потока 14%.