Что такое векторное управление двигателем

Векторное управление - это 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.

• 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.
• необходимость задания параметров электродвигателя;
• большие колебания скорости при постоянной нагрузке;
• большая вычислительная сложность.

Общая функциональная схема векторного управления

Классификация методов векторного управления

Данные 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.

• линейные (ПИ, ПИД) регуляторы;
• нелинейные (гистерезисные) регуляторы.

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 (ПОУ, англ. field oriented control, FOC);
• прямое управление моментом с пространственно-векторной модуляцией напряжения (ПУМ-ПВМ, англ. direct torque control with voltage space vector modulation, DTC-SVM);
• прямое управление моментом с пространственно-векторной модуляцией потока (ПУМ-ПВМП, англ. direct torque control with flux vector modulation, DTC-FVM).

Полеориентированное управление

Полеориентированное управление - это метод регулирования, который управляет бесщеточным электродвигателем переменного тока, как машиной постоянного тока с независимым возбуждением, подразумевая, что поле и момент могут контролироваться отдельно.

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.

С другой стороны бесщеточные электродвигатели переменного тока чаще всего имеют трехфазную обмотку статора, и вектор тока статора 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 на две компоненты: продольную составляющую тока статора, создающую поле и поперечную составляющую тока статора: создающую момент, во вращающейся системе координат ориентированной по полю ротора (R-FOC – rotor flux-oriented control) . 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.

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

• Прямое управление моментом с пространственно-векторной модуляцией напряжения
• Прямое управление моментом с пространственно-векторной модуляцией потока

Прямое управление моментом с пространственно-векторной модуляцией осуществляется в прямоугольной системе координат ориентированной по полю статора, следовательно для данного управления не требуется информация о положении ротора.

В частности данный метод реализует бездатчиковое управление синхронным электродвигателем с постоянными магнитами во всем диапазоне скоростей, включая низкую скорость, без необходимости накладывать высокочастотный сигнал и изменять конструкцию ротора, как это делается в бездатчиковом полеориентированном управлении электродвигателем с постоянными магнитами.

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. Выходы ПИ регуляторов момента и потокосцепления интерпретируются как опорные составляющие напряжения статора и в системе координат ориентированной по полю статора (англ. stator flux-oriented control, S-FOC). Эти команды (постоянные напряжения) затем преобразуются в неподвижную систему координат, после чего управляющие значения и поступают на модуль пространственно-векторной модуляции.

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.

Прямое управление моментом с пространственно-векторной модуляцией потока

Прямое управление моментом с пространственно-векторной модуляцией потока представляет собой упрощенный вариант схемы прямого управления моментом с пространственно-векторной модуляцией напряжения. В данном случае при управлении не осуществляется преобразование из неподвижной системы координат во вращающуюся.

Для управления моментом электродвигателя используется ПИ регулятор контролирующий приращение угла крутящего момента при заданном изменении крутящего момента на входе. Использование ПИ регулятора обусловлено тем, что связь между изменением крутящего момента и приращением угла крутящего момента сложна и нелинейна. Затем приращение угла момента добавляется к углу вектора потока статора в прямоугольной системе координат ориентированной по полю статора,  чтобы вычислить управляющий вектор потока статора. Полученное значение управляющего вектора потока статора сравнивается с оцененным потоком после чего полученная разница используется блоком ПВМП для расчёта управляющего вектора напряжения статора и вычисления состояний включения ключей инвертора. В данной схеме благодаря наличию цикла управления потоком статора используемого для вычисления, использование ПИ регулятора потока не требуется.

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.

К группе нелинейных регуляторов момента относят:

• прямое управление моментом с таблицей включения (ПУМ);
• прямое самоуправление (ПСУ);
• адаптивное прямое управление моментом;
• нейронные сети;
• регуляторы с нечеткой логикой.

Прямое управление моментом

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 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 и момента сравниваются с управляющими сигналами потокосцепления статора и момента двигателя соответственно посредством гистерезисного компаратора. Требуемый вектор напряжения управления электродвигателем выбирается из таблицы включения исходя из оцифрованных ошибок потокосцепления и момента генерируемых гистерезисными компараторами, а также исходя из сектора положения вектора потокосцепления статора полученного исходя из его углового положения . Таким образом, импульсы для управления силовыми ключами инвертора генерируются посредством выбора вектора из таблицы.

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 самоуправление

Основываясь на командах потокосцепления статора и текущих фазовых составляющих A, B и C компараторы потокосцепления генерируют цифровые сигналы dA, dB и dC, которые соответствуют активным состояниям напряжений (V1 – V6). Гистерезисный регулятор момента имеет на выходе сигнал, 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.

Преимущества и недостатки

• 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.