الگوریتم وکتور کنترل + نحوه عملکرد اینورتر

سلام خدمت دوستان و همراهان عزیز الکترو مارکت

0 تا 100 وکتور کنترل

سعی کردم در مقاله کاملترین  مطالب رو در مورد کنترل برداری (FOC) یا وکتور کنترل ارایه نمایم.

کنترل برداری (Vector Control)

کنترل برداری که همچنین کنترل میدانی (Field-oriented control-FOC) هم نامیده می‌شود، یک روش کنترل درایو فرکانس متغیر (VFD) است که در آن جریان ­های استاتور یک موتور الکتریکی جریان متناوب (AC) سه فاز، به صورت دو مؤلفه عمود بر هم که می­توانند در یک بردار تجسم شوند، شرح داده می­شوند.

یکی از مؤلفه­ ها، شار مغناطیسی موتور را تعیین کرده و دیگری  گشتاور را مشخص می­کند.

این سیستم کنترل اینورتر، مؤلفه جریان مربوطه ناشی از شار و گشتاور ایجاد شده توسط کنترل سرعت  اینورتر را محاسبه می­کند. به طور معمول، کنترل کننده­ های تناسبی- انتگرالی برای اندازه ­گیری مؤلفه ­های جریان در مقادیر مبنای خود استفاده می­شوند.

مدولاسیون پهنای پالس اینورتر فرکانس متغیر، ترانزیستوری را مشخص می کند.

که بر اساس منابع ولتاژ استاتور سوئیچ می­شود، که این منابع خروجی کنترل کننده­ های جریان PI هستند (وکتور کنترل).

کنترل برداری (FOC) برای کنترل موتورهای جریان متناوب (AC) سنکرون و القایی استفاده می‌شود.

در اصل برای کاربردهای موتور با راندمان بالا که نیاز به کار مداوم و بدون تنش (اعوجاج) در محدوده سرعت کامل و تولید گشتاور کامل در سرعت صفر دارند و دارای عملکرد دینامیکی بالا از جمله کاهش شتاب و سرعت هستند، توسعه یافته است.

با این حال، کنترل برداری به مرور برای کاربردهایی با کارایی پایین ­تر

با توجه به ارجعیت کاهش اندازه موتور FOC،کاهش هزینه و مصرف برق نیز حاصل می گردد.

در نهایت انتظار می­رود که با افزایش قدرت محاسباتی این ریزپردازنده ­ها، تقریباً در سراسر جهان وکتور کنترل جایگزین کنترل تک متغیره اسکالر ولت بر هرتز (V/f) شود.

“نصب اینورتر و 5 نوع از شایع ترین انواع بار موتور”

تاریخچه وکتور کنترل

ک. هاس از دانشگاه فنی دارمشتات و اف (Technische Universität Darmstadt’s K. Hasse) و بلاسک از زیمنس (Siemens’ F. Blaschke) ، پیشگامان کنترل برداری (وکتور کنترل) موتور جریان متناوب (AC) بودند.

که در سال 1968 و در اوایل دهه 1970، هاس در مورد پیشنهاد وکتور کنترل (کنترل برداری) غیر مستقیم و

بلاسک از نظر پیشنهاد وکتور کنترل (کنترل برداری) مستقیم شروع به کار کردند.

ورنر لئونارد از دانشگاه فنی براونشوایگ (Braunschweig)، تکنیک­ها و روش­های کنترل برداری (FOC) را بیشتر توسعه داد که ابزاری در راه گشایی فرصت­هایی برای جایگزینی و بازاریابی اینورتر جریان متناوب (AC) در جایگزین رقابتی با اینورتر های جریان مستقیم (DC) بود.

با این حال، تکنولوژی وکتور کنترل تا پس از تجاری­ سازی و توسعه ریز پردازنده ­ها وجود نداشت که در اوایل دهه 1980 این توسعه رخ داد که هدف کلی اینورتر های جریان متناوب (AC) در دسترس قرار گرفت و به بار نشت.

هنوز موانع و مشکلات بسیاری برای استفاده از وکتور کنترل وجود داشت”

استفاده از کنترل برداری (FOC) برای کاربردهای اینورتر جریان متناوب (AC) شامل هزینه و پیچیدگی بسیار زیاد و قابلیت نگهداری پایین ­تری نسبت به درایوهای جریان مستقیم (DC) بود و بسیاری از قطعات الکترونیکی تا آن زمان از نظر سنسورها، تقویت کننده­ها و غیره، مورد نیاز وکتور کنترل (FOC) بوده اند که نیاز به تامین و توسعه بود.

روش تبدیل پارک (Park transformation) مدت طولانی است که به طور گسترده­ای در تجزیه و تحلیل و مطالعه ماشین­های سنکرون و القایی استفاده می­شود. تاکنون این تبدیل، تنها مفهوم بسیار مهم و در عین حال مورد نیاز برای درک درست نحوه کار وکتور کنترل (FOC) بوده است، این مفهوم برای اولین بار در مقاله­ای توسط رابرت اچ. پارک (Robert H. Park) در سال 1929 مفهوم ­سازی و معرفی شد.

مقاله پارک، از نظر تأثیر از میان تمام مقالات مهندسی برق مرتبط که تا قرن بیستم منتشر شده بودند، رتبه دوم را به خود اختصاص داد.

نوآوری در کار پارک شامل قابلیت و توانایی وی برای تبدیل هر مجموعه معادله دیفرانسیل خطی دستگاهی مرتبط، از یک مجموعه با ضرایب متغیر زمانی به مجموعه دیگری با ضرایب ثابت زمانی.

مرور فنی

بررسی اجمالی پایگاه­ها یا پلت ­فرم ­های کلیدی کنترل اینورتر  رقابتی عبارتند از:

در حالی که تجزیه و تحلیل کنترل­ های اینورتر جریان متناوب (AC) می­تواند کاملاً از لحاظ فنی انجام شود، با این حال این تجزیه و تحلیل همواره با مدل ­سازی مدار درایو – موتور درگیر در امتداد خطوط، همراه با نمودار جریان سیگنال و معادلات شروع می­شود.

در سیستم وکتور کنترل ، یک موتور AC القایی و یا سنکرون در تمامی شرایط عملیات مانند یک موتور DC تحریک شده مستقل کنترل می­شود .

به عبارت دیگر، موتور AC مانند یک موتور DC  عمل می­کند

که در آن پیوستگی شار میدان مغناطیسی (Field flux linkage) و پیوستگی شار آرمیچر (Armature flux linkage)

توسط میدان مربوطه ایجاد شده و جریان­های آرمیچر (یا مؤلفه گشتاور) به طور عمودی در امتداد هم قرار می­گیرند،

به طوری که هنگامی که گشتاور کنترل می­شود، پ

یوستگی شار میدان مغناطیسی تحت تأثیر قرار نمی­گیرد،

از این رو واکنش گشتاور دینامیک را امکان­ پذیر می­سازد.

بر این اساس، وکتور کنترل، یک خروجی ولتاژ موتور PWM سه فاز را تولید می­کند که از یک بردار ولتاژ مختلط مشتق می­شود که یک بردار جریان مختلط را که از ورودی جریان استاتور سه فاز موتور مشتق شده است از طریق جابه جایی ­های ممتد بین دو سیستم سه فاز وابسته به سرعت و زمان و سیستم ثابت زمانی با چهار چوب مرجع دورانی با مختصات دو بعدی این بردارها، کنترل می­کند.

چنین بردار فضایی مختلط جریان استاتور را می­توان در یک سیستم مختصات (d, q) با مؤلفه­های عمود بر هم در راستای محورهای d (مستقیم) و q (عمودی) تعیین کرد به طوری که مؤلفه پیوستگی شار میدان مغناطیسی جریان، در طول محور d همتراز می­شود و مؤلفه گشتاور جریان هم در امتداد محور q همتراز می­گردد.

سیستم مختصات (d, q) موتور القایی را می­توان به سیستم سینوسی سه فاز لحظه­ ای (a, b, c) موتور همان طور که در تصویر نشان داده شده است، اضافه کرد (فازهای b و c برای وضوح بیشتر نشان داده نشده­اند). مؤلفه ­های بردار جریان این سیستم (d, q)، کنترل متعارف مانند کنترل تناسبی-انتگرالی (PI) را همانند یک موتور جریان مستقیم (DC) امکان­پذیر می­سازند.

روش­های ترسیم در ارتباط با سیستم مختصات (d, q) به طور معمول شامل موارد زیر می­شوند:

• روش ترسیم مستقیم یا موافق حاصل از جریان ­های لحظه­ ای با نمایش بردار فضایی مختلط جریان استاتور (a, b, c) سیستم سینوسی سه فاز.
• روش ترسیم مستقیم یا موافق سه فاز به دو فاز، طرح (a, b, c) به (β ,α) با استفاده از تبدیل کلارک (Clarke) . پیاده ­سازی ­های کنترل برداری معمولاً موتور بدون اتصال به زمین را با جریان سه فاز متعادل فرض می­کنند، به طوری که تنها دو فاز جریان موتور باید حس شوند. همچنین، طرح برگشتی دو فاز به سه فاز، طرح (β ,α) به (a, b, c) از مدولاتور یا تعدیل کننده PWM بردار فضایی یا تبدیل کلارک معکوس و تعدیل کننده­های PWM دیگر استفاده می­کند.
• طرح­ ریزی­ های مستقیم و برگشتی دو فاز به دو فاز، (β ,α) به (d, q) و (d, q) به (β ,α) با استفاده از تبدیل­ های پارک و پارک معکوس.

با این حال استفاده از طرح ­های ترسیم سه به دو،

(a, b, c) به (d, q) و طرح ترسیم معکوس برای مراجع نا متعارف به شمار نمیرود.

در حالی که  دوران سیستم مختصات (d, q) می­تواند به طور دلخواه با  هر سرعتی تنظیم شود،

سه سرعت ارجع و یا چارچوب مرجع وجود دارد:

• چارچوب مرجع ثابت که در آن سیستم مختصات (d, q) چرخش و دَوَران نمی­یابد؛
• چارچوب مرجع دَوَران همزمان که در آن سیستم مختصات (d, q) با سرعت سنکرون، دوران می­یابند؛
• چارچوب مرجع روتور که در آن سیستم مختصات (d, q) با سرعت روتور دوران می­یابد.

]در نتیجه، جریان­های گشتاور و میدان مغناطیسی مجزا ساز می­توانند

از ورودی ­های جریان استاتور پردازش نشده برای توسعه الگوریتم کنترل مشتق شوند.

در حالی که مؤلفه­ های میدان مغناطیسی و گشتاور مغناطیسی در موتورهای جریان مستقیم (DC) می­توانند نسبتاً به سادگی به طور جداگانه با کنترل جریان ­های میدان مغناطیسی و آرمیچر مربوطه عمل کنند، کنترل اقتصادی و صرفه جویی انرژی حاصله از جایگزینی موتورهای جریان متناوب (AC) در کاربرد سرعت متغیر برای توسعه کنترل ­های مبتنی بر میکروپروسسور (میکروپردازش­گر) با تمام درایوهای جریان متناوب (AC) حاضر با استفاده از فن آوری قدرتمند DSP (پردازش سیگنال دیجیتال) الزامی است.

اینورتر ها می­توانند به صورت کنترل برداری (FOC)

بدون سنسور مدار باز (open loop)

یا مدار بسته (close loop) اجرا شوند،

محدودیت کلیدی عملیات مدار باز حداقل سرعت ممکن در گشتاور 100% است،

یعنی در حدود 8/0 هرتز در مقایسه با وقفه برای عملیات مدار بسته می­باشد.

دو روش کنترل برداری شامل کنترل برداری مستقیم یا فیدبک (Feedback vector control) (DFOC) و کنترل برداری غیر مستقیم یا پیشخورد (Feedforward vector control) (IFOC) وجود دارد؛

معمولاً کنترل برداری غیر مستقیم یا پیشخورد (IFOC) بسیار مورد استفاده قرار می­گیرد.

زیرا در حالت مدار بسته مانند درایو ها بسیار راحت در سراسر محدوده سرعت از سرعت صفر تا سرعت بالای تضعیف میدان مغناطیسی عمل می­کند.

در کنترل برداری مستقیم یا فیدبک (DFOC)، مقدار شار و سیگنال­های بازخورد زاویه به طور مستقیم با استفاده از مدل­های به اصطلاح جریان یا ولتاژ محاسبه می­شوند.

در کنترل برداری غیر مستقیم یا پیشخورد (IFOC)، پیش­خورد زاویه فضای شار و سیگنال­های مقدار شار، ابتدا جریان­های استاتور و سرعت روتور را اندازه­ گیری کرده و سپس مشتق زاویه فضای شار مناسب با جمع زاویه روتور مربوط به سرعت روتور و مقدار مرجع محاسبه شده زاویه لغزش مربوط به فرکانس لغزش را اندازه­ گیری می­کنند.

کنترل بدون سنسور (دیاگرام بلوکی FOC بدون سنسور) اینورتر های جریان متناوب (AC) از جهت ملاحظات هزینه و قابلیت اطمینان جذاب و جالب توجه می­باشد.

کنترل بدون سنسور نیاز به استخراج اطلاعات سرعت روتور از جریان­ ها و ولتاژ استاتور اندازه­ گیری شده

در ترکیب با برآوردگر مدار باز و یا مشاهده ­گر مدار بسته دارد.

کاربرد

1. جریان­های فازی استاتور اندازه ­گیری می­شوند و به بردار فضایی مختلط در سیستم مختصات (a, b, c) تبدیل می­شوند.
2. جریان به سیستم مختصات (β ,α) تبدیل می­شود. به یک سیستم مختصات دورانی در چارچوب مرجع روتور تبدیل می­شود، موقعیت روتور توسط یکپارچه­سازی سرعت با استفاده از ابزار حسگر اندازه گیری سرعت استنتاج می­شود.
3. بردار پیوستگی شار روتور با ضرب بردار جریان استاتور با القای مغناطیسی L_m و نتیجه فیلترینگ پایین­ گذر با روتور زمان ثابت بدون بار L_f/R_r، یعنی نسبت اندوکتانس (ضریب القای) روتور (Rotor inductance) به مقاومت روتور تخمین زده می­شود.
4. بردار جریان تبدیل به سیستم مختصات (d, q) می­شود.
5. مؤلفه محور d بردار جریان استاتور برای کنترل پیوستگی شار روتور استفاده می شود و مؤلفه مجازی محور q برای کنترل گشتاور موتور استفاده می­شود. در حالی که کنترل کننده­های تناسبی-انتگرالی (PI) می­توانند برای کنترل این جریان­ها مورد استفاده قرار گیرند؛ کنترل جریان نوع بنگ بنگ (Bang-bang type current control)، عملکرد دینامیک بهتری را فراهم می­کند.
6. کنترل کننده­های تناسبی-انتگرالی (PI)، مؤلفه­های ولتاژ مختصات (d, q) را ارائه می­کنند. یک دوره مجزا گاهی اوقات به خروجی کنترل کننده به منظور بهبود عملکرد کنترل اضافه می­شود تا جفت شدگی متقابل و یا تغییرات بزرگ و سریع در سرعت، پیوستگی جریان و شار را کاهش دهد. همچنین کنترل کننده تناسبی-انتگرالی (PI) گاهی اوقات نیاز به فیلتر پایین گذر در ورودی یا خروجی دارد تا از موج جریان به دلیل سوئیچینگ ترانزیستور از تقویت بیش از حد و بی ثبات کردن کنترل جلوگیری کند. با این حال، این فیلترینگ همچنین عملکرد سیستم کنترل دینامیکی را محدود می­کند. فرکانس سوئیچینگ بالا (معمولاً بیش از 10 کیلو هرتز) معمولاً برای به حداقل رساندن نیاز به فیلترینگ برای درایوهای با عملکرد بالا مانند درایوهای سروو (Servo drives) الزامی است.
7. مؤلفه­ های ولتاژ از سیستم مختصات (d, q) به سیستم مختصات (β ,α) تبدیل می­شوند.
8. مؤلفه­ های ولتاژ از سیستم مختصات (β ,α) به سیستم مختصات (a, b, c) تبدیل می­شوند یا با مدولاتور PWM تغذیه می­شوند، و یا هر دو برای سیگنالینگ به بخش اینورتر یا مبدل برق انجام می­شوند.

کاربرد وکتور کنترل در صنعت پلاستیک

سرعت یکنواخت پرس تولید ظروف یکبار مصرف در زمان بالا رفتن پرس و پایین آمدن پرس، در این کاربرد پرس ترموفرمینگ در زمان بالا رفتن متحمل فشار زیادی میشود و در واقع باید وزنی حدود 1 تن را بالا ببرد و در زمان پایین آمدن باید بر نیروی جاذبه غلبه کند و مانع افزایش سرعت پایین آمدن پرس شود.

ابعاد قابل توجه کاربرد وکتور کنترل:

• اندازه ­گیری سرعت یا موقعیت و یا نوعی از برآورد مورد نیاز است.
• گشتاور و شار را می­توان با سرعت منطقی، کمتر از 5-10 میلی ثانیه، با تغییر مراجع تغییر داد.
• واکنش پله­ ای تا حدی فراتر می­رود چنانچه کنترل تناسبی-انتگرالی (PI) استفاده شود.
• فرکانس سوئیچینگ ترانزیستورها معمولاً ثابت می­باشد و توسط مدولاتور تعیین و تنظیم می­شود.
• دقت گشتاور بستگی به دقت پارامترهای موتور مورد استفاده در کنترل دارد.
• بنابراین خطاهای بزرگ اغلب به دلیل تغییرات درجه حرارت روتور ایجاد می­شوند.
• عملکرد پردازنده منطقی الزامی است؛ معمولاً الگوریتم کنترل باید حداقل هر میلی ثانیه محاسبه شود.

اگرچه الگوریتم کنترل بردار نسبت به کنترل مستقیم گشتاور (DTC) بسیار پیچیده­ تر است،

نیازی نیست این الگوریتم به همان اندازه تکرار الگوریتم کنترل مستقیم گشتاور (DTC) محاسبه شود.

همچنین لازم نیست سنسورهای جریان از بهترین سنسورها در بازار باشند.

بنابراین هر چقدر هزینه این پردازنده و دیگر سخت­ افزارهای کنترل کمتر باشد،

برای کاربردهای مختلف مناسب می­باشد که در آن عملکرد نهایی کنترل مستقیم گشتاور (DTC)  مورد نیاز و الزامی نمی­باشد.

گروه مهندسی الکترومارکت در خدمت شما است. 

متشکرم که تا انتهای این مقاله با ما بودید منتظر نظرات خوبتون هستم.

نظرات شما دوستان باعث ارتقای سطح کیفی الکترومارکت میگردد.

ما در 24 ساعت از 7 روز هفته منتظر شنیدن صدای شما هستیم
02165292580
02165295301