벡터 컨트롤(모터)

필드 지향 제어(FOC)라고도 불리는 벡터 제어는 3상 AC 또는 브러시리스 DC 전기 모터의 고정자 전류가 벡터로 시각화할 수 있는 두 개의 직교 구성 요소로 식별되는 가변 주파수 구동(VFD) 제어 방법입니다.한 구성 요소는 모터의 자속을 정의하고 다른 구성 요소는 토크를 정의합니다.구동 제어 시스템은 구동 속도 제어에 의해 제공되는 플럭스 및 토크 기준으로부터 해당 전류 구성 요소 기준을 계산합니다.일반적으로 비례적분(PI) 컨트롤러는 측정된 전류 구성요소를 기준 값으로 유지하기 위해 사용됩니다.가변 주파수 드라이브의 펄스 폭 변조는 PI 전류 ^[1]컨트롤러의 출력인 스테이터 전압 기준에 따라 트랜지스터 전환을 정의합니다.

FOC는 AC 동기 ^[2]및 유도 모터를 제어하는 데 사용됩니다.원래 최고 속도 범위에서 부드럽게 동작하고, 제로 속도에서 최대 토크를 발생시키며, 빠른 가속과 감속 등 높은 동적 성능을 필요로 하는 고성능 모터 애플리케이션용으로 개발되었습니다.그러나 FOC의 모터 크기, 비용 및 전력 소비 절감 ^[3]^[4]우위성으로 인해 성능이 낮은 애플리케이션에도 점점 더 매력적으로 다가오고 있습니다.마이크로프로세서의 연산능력이 높아짐에 따라 최종적으로는 거의 보편적으로 단일 가변 스칼라 볼트 /^[5]^[6]헤르츠(V/f) 제어를 대체할 것으로 예상됩니다.

개발 이력

Blaschke의 1971년 미국 특허출원 블록도

테크니쉬 대학교 다름슈타트의 K.Hasse와 Siemens의 F.Blaschke는 1968년부터 1970년대 초에 걸쳐 AC 모터의 벡터 제어를 개척했습니다.간접 벡터 제어 제안 측면에서 Hasse, 직접 벡터 ^[7]^[8]제어 제안 측면에서 Blaschke.기술 대학 Braunschweig의 Werner Leonhard는 FOC 기술을 추가로 개발했으며, AC 드라이브가 DC ^[9]^[10]드라이브의 경쟁력 있는 대안이 될 수 있는 기회를 여는 데 중요한 역할을 했습니다.

그러나 마이크로프로세서가 상용화된 후, 즉 1980년대 초에 이르러서야 범용 AC 드라이브를 사용할 ^[11]^[12]수 있게 되었습니다.AC 드라이브 애플리케이션에 FOC를 사용하는 데 걸림돌이 되는 것은 DC 드라이브에 비해 비용과 복잡성이 높고 유지 보수성이 낮다는 점입니다. 이때까지 FOC는 센서, 앰프 ^[13]등의 측면에서 많은 전자 부품을 필요로 했습니다.

파크 변환은 동기 및 유도 기계의 분석 및 연구에 오랫동안 널리 사용되어 왔습니다.전환은 1929년 Robert H.^[14] Park에 의해 작성된 논문에서 처음 개념화된 FOC의 작동 방식을 이해하는 데 필요한 가장 중요한 단일 개념입니다.박 후보의 논문은 20세기 전력공학 관련 논문 중 영향 면에서 2위를 차지했다.Park의 연구의 참신함은 관련된 기계의 선형 미분 방정식을 시간 가변 계수를 갖는 것에서 시간 불변 계수를 갖는 다른 것으로 변환하여 선형 시간 불변 시스템 또는 LTI 시스템을 만드는 능력을 포함한다.

기술 개요

주요 경쟁 VFD 제어 플랫폼 개요:

VFD, 센서 또는 센서 없음

스칼라 제어

	V/f(헤르츠당 전압) 제어

벡터 컨트롤

DTC(직접 토크 컨트롤)

	고전적 DTC

	공간 벡터 변조 기반 DTC

FOC(필드 지향 제어)

	다이렉트 포커스

	간접 FOC

MPC(모델 예측 제어)

	예측 토크 컨트롤

	예측 전류 제어

AC 드라이브 제어의 분석은 기술적으로 상당히 복잡할 수 있지만("섹션 참조") 그러한 분석은 반드시 부수되는 신호 흐름 그래프와 ^[16]방정식의 선을 따라 관련된 드라이브 모터 회로의 모델링에서 시작됩니다.

유도 모터 모형 방정식

{\displaystyle{\begin{정렬}&, \tau _{\sigma}'{\frac{di_{s}}{d\tau}}+i_{s}{)}-\omega _{k}\tau _{\sigma}'i_{s}+{\frac{k_{r}}{\tau_{r}r_{\sigma}}}(1-jr_{\tau}\omega_{m})\psi _{r}+{\frac{1}{r_{\sigma}}}u_{s}&, &,(1)\\&, \tau _{r}{\frac{d\psi_{r}}{d\tau}}_ᆾ=-j(\omega_{k}-\omega_{m})\tau _{r}\psi _{r}+l_{m}i_{s}& +\psi;&.앰프,(2)\end{정렬}}}

어디에

{\displaystyle {displaystyle {l_{s}}=s+k_{r}{r}{r}&k_{r}=s+k_{r}{r}&k_{r}&k_{r}&k_{r}&k_{r}&k_{r}&kfrac {l_{l_{r}}&m}&amp;{r}&amp;s}&amp;\disterfrace fr}&amp;\disterfrace frace frace l_{r}&amp;

{l_{m}^{2}} ={l_{r}l_{s}} = 텍스트 {total 누출 계수} \&\obega _{sR} = 텍스트 {nominal steator frequency} \end{aligned}}

기본 파라미터 기호
i	현재의
k	각 권선의 결합 계수
l	인덕턴스
r	저항.
t	시간을
T	토크
u	전압
$\displaystyle \psi }$	플럭스 링크
$\displaystyle \displays }$	정규화 시간
$\displaystyle \displays }$	첨자가 있는 시간 상수(T.C.)
$\displaystyle \mega }$	각속도
$l_{s}$	총누출 인덕턴스

첨자 및 윗첨자
e	전기 기계식
i	유도 전압
k	참조된 k-성적
L	장전
m	상호(컴플라이언스)
m	기계(T.C., 각속도)
r	회전자
R	정격값
s	고정자
$(\disteryle$	과도 시간 상수를 나타냅니다.

유도 모터용 신호 흐름 그래프(SFG)

라,q 삼상유도전동기에^[17] 중첩된 좌표계

간이 간접 FOC 블록도

간단한 다이렉트 FOC 블록 다이어그램

센서리스 FOC 블록도

벡터 제어에서는 AC유도모터 ^[21]또는 동기모터가 별도의 여자 DC모터처럼 모든 작동조건 하에서 제어된다.즉, AC 모터는 DC 모터처럼 동작하며, DC 모터에서는 각 계자 및 전기자(또는 토크 성분) 전류에 의해 생성되는 계자 플럭스 링크 및 전기자 플럭스 링크가 직교적으로 정렬되어 토크가 제어될 때 계자 플럭스 링크에 영향을 주지 않으므로 동적 토크 응답이 가능합니다.

따라서 벡터 제어는 복소전압 벡터로부터 도출된 3상 PWM 모터 전압 출력을 생성하여 3상 속도 및 시간 의존 시스템과 이들 벡터의 회전 기준 프레임 사이의 투영 또는 회전을 통해 입력되는 모터의 3상 스테이터 전류로부터 도출된 복소전류 벡터를 제어한다.e 2-좌표 시간 불변계.^[22]

이러한 복잡한 스테이터 전류공간 벡터는 전류의 필드 플럭스 링크 성분이 d축을 따라 정렬되고 전류의 토크 성분이 q축을 ^[21]따라 정렬되도록 d(직교) 및 q(사분교) 축을 따라 직교 성분을 갖는 (d,q) 좌표계에서 정의할 수 있다.유도 모터의 (d,q) 좌표계는 첨부 이미지에 표시된 바와 같이 모터의 순간(a,b,c) 3상 사인파 시스템에 중첩될 수 있습니다(명확성을 위해 단계 b 및 c는 표시되지 않음).(d,q) 시스템 전류 벡터의 구성 요소는 DC 모터와 같이 비례 및 적분 또는 PI 제어와 같은 기존 제어를 허용합니다.

(d,q) 좌표계와 관련된 투영에는 일반적으로 다음이 포함됩니다.^[16]^[22]^[23]

순간 전류에서 3상 사인파 시스템의 (a, b, c) 복소 고정자 전류 공간 벡터 표현으로 전방 투영합니다.
Clarke 변환을 사용하여 (a, b, c)에서 ( $\alpha$ \ $displaystyle \alpha$ $\alpha$ , $\beta$ \ $displaystyle \beta$ $\beta$ )의 3단계 투사(a, b, c)를 전송합니다.벡터 제어의 실장은 보통 2개의 모터 전류만 감지하면 되는 균형 잡힌 3상 전류를 가진 접지되지 않은 모터를 가정한다.또한 역방향 2~3상( $\displaystyle\alpha$ $\beta$ \ $displaystyle\beta})-$ to-(a,b,c) 투영에서는 공간 벡터 PWM 변조기 또는 역클라크 변환과 다른 PWM 변조기 중 하나를 사용합니다.
Park 변환과 Inverse Park 변환을 사용하여 각각 전방 및 후방 2단계( $α$ \ $displaystyle \$ alpha $\alpha$ 、 $\beta$ β $\beta$ \ $displaystyle \beta$ $）$ $\beta$ {\ $\beta$ forward forward （ d $）$ $\beta$ forward forward forward forward forward forward forward （ $displaystyle \al$ \alpha $\beta$ forward forward forward forward forward forward $\alpha$ 。

주차 변환을 사용하는 발상은 3상 전류와 전압의 시스템을 2개의 좌표 선형 시간 불변 시스템으로 변환하는 것입니다.시스템을 LTI로 함으로써 간단하고 구현이 용이한 PI 컨트롤러를 사용할 수 있을 뿐만 아니라 플럭스 및 토크 발생 전류 제어를 단순화할 수 있습니다.

단, (a,b,c)-to-(d,q) 및 역투영 등 조합변환을 사용하는 선원은 드물지 않다.

(d,q) 좌표계 회전을 임의로 임의의 속도로 설정할 수 있지만, 세 가지 선호하는 속도 또는 기준 ^[17]프레임이 있습니다.

(d,q) 좌표계가 회전하지 않는 정지 기준 프레임
(d,q) 좌표계가 동기 속도로 회전하는 동기식 기준 프레임.
(d,q) 좌표계가 로터 속도로 회전하는 로터 기준 프레임.

따라서 디커플링된 토크 및 계자 전류는 제어 알고리즘 ^[24]개발을 위한 원시 스테이터 전류 입력으로부터 도출할 수 있다.

반면에 DC모터에 자기장과 토크 요소들 상대적으로 단순히 별도로 각 분야와 전기자 전류 AC모터의 가변 속도 응용 프로그램에서 경제적 통제를 조절하면서 조작이 가능한 마이크로 프로세서 기반 controls[24]의 모든 교류 드라이브 지금 강력한 DSP기술의 디지털 신호 절차를 이용하여 개발 요구했다.불러보았다) 테크놀로지.^[25]

인버터는 개방 루프 센서리스 또는 폐쇄 루프 FOC 중 하나로 구현될 수 있으며, 개방 루프 작동의 주요 제한은 100% 토크에서 가능한 최소 속도, 즉 폐쇄 루프 작동을 위한 정지 상태에 ^[9]비해 약 0.8Hz이다.

직접 또는 피드백 벡터 제어(DFOC)와 간접 또는 피드포워드 벡터 제어(IFOC)의 2가지 벡터 제어 방법이 있습니다.폐루프 모드에서는 이러한 드라이브가 0 속도에서 고속 필드 약화에 ^[26]이르는 속도 범위에서 더 쉽게 작동하기 때문에 IFOC가 더 일반적으로 사용됩니다.DFOC에서 플럭스 크기와 각도 피드백 신호는 소위 전압 또는 전류 모델을 사용하여 직접 계산됩니다.IFOC에서 플럭스 공간각 피드포워드 및 플럭스 크기 신호는 먼저 고정자 전류 및 로터 속도를 측정하여 로터 속도에 따른 로터 각도와 슬립 ^[27]^[28]주파수에 따른 슬립 각도의 산출 기준치를 가산함으로써 적절한 플럭스 공간각을 도출한다.

AC 드라이브의 센서리스 제어(센서리스 FOC 블록도 참조)는, 코스트와 신뢰성의 고려에 있어서 매력적입니다.센서리스 제어를 위해서는 개방 루프 추정기 또는 폐쇄 루프 ^[16]^[20]관찰기와 함께 측정된 스테이터 전압 및 전류에서 로터 속도 정보를 도출해야 합니다.

어플

고정자 위상 전류를 측정하여 (a, b, c) 좌표계에서 복소 공간 벡터로 변환한다.
전류는 ( $\alpha$ {\ $displaystyle \alpha$ , $\beta$ {\ $displaystyle \beta$ ) 좌표계로 변환됩니다.회전자 기준 프레임 내에서 회전하는 좌표계로 변환된 회전자 위치는 속도 측정 센서에 의해 속도를 적분함으로써 도출된다.
스테이터 전류 벡터에 자화 인덕턴스_m L을 곱하여 로터 무부하 시간 상수_r L/R_r, 즉 로터 저항비에 대한 로터 인덕턴스를 저역 필터링함으로써 로터 플럭스 연계 벡터를 추정한다.
전류 벡터는 (d,q) 좌표계로 변환됩니다.
고정자 전류 벡터의 d축 성분은 로터 플럭스 링크를 제어하기 위해 사용되며, 가상의 q축 성분은 모터 토크를 제어하기 위해 사용된다.이러한 전류를 제어하기 위해 PI 컨트롤러를 사용할 수 있지만 뱅뱅형 전류 제어는 더 나은 동적 성능을 제공합니다.
PI 컨트롤러는 (d,q) 좌표 전압 성분을 제공합니다.컨트롤러 출력에 디커플링 항이 추가되어 크로스 커플링 또는 속도, 전류 및 플럭스 링크의 크고 빠른 변화를 완화하기 위해 제어 성능을 향상시키기도 합니다.또한 PI 컨트롤러는 트랜지스터 스위칭으로 인한 전류 리플이 과도하게 증폭되어 제어가 불안정해지는 것을 방지하기 위해 입력 또는 출력 시 로우패스 필터링이 필요할 수 있습니다.그러나 이러한 필터링은 동적 제어 시스템의 성능도 제한합니다.일반적으로 높은 스위칭 주파수(일반적으로 10kHz 이상)는 서보 드라이브와 같은 고성능 드라이브의 필터링 요건을 최소화하기 위해 필요합니다.
전압 성분은 (d,q) 좌표계에서 ( $\alpha$ ${디스플레이$ 스타일 \ $alpha$ $\beta$ { $디스플레이$ 스타일 $\beta$ 좌표계로 변환됩니다.
전압 성분은 ( $\alpha$ { $displaystyle \alpha$ , $\beta$ { $displaystyle \beta}$ ) 좌표계에서 (a,b,c) 좌표계로 변환되거나 PWM(펄스 폭 변조) 모듈레이터 또는 둘 다로 공급되어 파워 인버터 섹션에 신호를 보냅니다.

벡터 제어 애플리케이션의 중요한 측면:

속도나 위치 측정 또는 일종의 추정이 필요합니다.
기준을 변경함으로써 토크와 플럭스를 5-10밀리초 이내에 상당히 빠르게 변경할 수 있습니다.
PI 제어가 사용되는 경우 스텝 응답에는 오버슈트가 있습니다.
트랜지스터의 스위칭 주파수는 일반적으로 일정하며 변조기에 의해 설정됩니다.
토크의 정확도는 컨트롤에 사용되는 모터 파라미터의 정확도에 따라 달라집니다.따라서 예를 들어 로터 온도 변화로 인한 큰 오류가 자주 발생합니다.
적절한 프로세서 성능이 필요합니다.일반적으로 제어 알고리즘은 PWM 사이클마다 계산됩니다.

벡터 컨트롤 알고리즘은 직접 토크 컨트롤(DTC)보다 복잡하지만 DTC 알고리즘만큼 자주 계산할 필요는 없습니다.또한 현재의 센서가 시장에서 최고일 필요는 없습니다.따라서 프로세서 및 기타 제어 하드웨어의 비용이 낮기 때문에 DTC의 궁극적인 성능이 필요하지 않은 애플리케이션에 적합합니다.

「」를 참조해 주세요.

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v t 전기 기계
AC - 교류 DC - 직류 PM - 영구 자석 SC - 자가 변환
컴포넌트 및 악세사리	전기자 제동 초퍼 솔질하다 코일 권선 기술 정류자 직류 분사 제동 필드 코일 로터 슬립링 스테이터 와인딩
제너레이터	교류 발전기 발전기
모터	교류 모터 유도 모터 음영극 달랜더 극 교환 모터 권상 회전 장치(WRIM) 선형 유도 동기 모터 거부감 직류 모터 동극성 브러시드 DC 전기 모터 브러시리스 DC 전기 모터 단극성 유니버설 Switched Relcantance(SRM; 스위치드 레이텐스) 꺼림칙함 이중으로 공급 선형 영구 자석 듀얼로터 영구자석유도모터(DRPMIM) 서보모터 스테퍼 트랙션 정전 압전 초음파 TEFC 축류속
모터 컨트롤러	AC-to-AC 컨버터 사이클로 컨버터 앰피딘 드라이브 가변 주파수 드라이브 직접 토크 컨트롤 벡터 컨트롤 메타딘 모터 소프트 스타터 워드 레너드 컨트롤
역사, 교육, 레크리에이션용	전기 모터의 연대표 볼 베어링 모터 바로우 바퀴 린치 모터 멘도치노 모터 마우스 밀 모터
실험적이고 미래 지향적인	코일건 레일건 초전도 기계
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