Che cos’è il controllo Field-Oriented?

Il controllo Field-Oriented (FOC) o controllo vettoriale è una tecnica di controllo utilizzata per ottenere una buona funzionalità di controllo in tutto il range di coppia e velocità per diversi tipi di motori, tra cui macchine a induzione, macchine sincrone a magneti permanenti (PMSM) e motori brushless CC (BLDC). Per le velocità superiori a quella nominale, viene utilizzato il controllo Field-Oriented con controllo dell’indebolimento di campo.

Il diagramma a blocchi qui sotto mostra un’architettura di controllo Field-Oriented che include i seguenti componenti:

• Controller di corrente costituito da due controller proporzionali-integrali
• Controller della velocità del loop esterno opzionale e generatore di corrente di riferimento
• Trasformate di Clarke, Park e Park inverse per la conversione da frame stazionari a sincroni rotanti
• Un algoritmo di modulatore vettoriale per trasformare i comandi vα e vβ in segnali di modulazione di larghezza di impulso applicati agli avvolgimenti dello statore
• Funzioni ausiliarie e di protezione, inclusa la logica di avvio e arresto
• Osservatore opzionale per stimare la posizione angolare del rotore se si desidera utilizzare il controllo senza sensori

Gli ingegneri di controllo motori che progettano un controllo Field-Oriented svolgono le seguenti attività:

• Sviluppo dell’architettura del controller con due controller PI per il loop di corrente
• Sviluppo di controller PI per i loop esterni opzionali di velocità e posizione
• Regolazione dei guadagni di tutti i controller PI per soddisfare i requisiti prestazionali
• Progettazione di un modulatore vettoriale per il controllo PWM
• Progettazione dell’algoritmo di un osservatore per stimare la posizione e la velocità del rotore se si utilizza il controllo senza sensori
• Progettazione di algoritmi di coppia massima per ampere o di controllo dell’indebolimento di campo per generare id_ref e iq_ref ottimali
• Implementazione di trasformate di Clarke, Park e Park inverse efficienti dal punto di vista computazionale
• Progettazione del rilevamento dei guasti e della logica di protezione
• Verifica e convalida delle prestazioni del controller in diverse condizioni di esercizio
• Implementazione di un controller a virgola fissa o mobile su un microcontroller o un FPGA

Progettare il controllo Field-Oriented con Simulink consente di sfruttare la simulazione multi-rate per progettare, regolare e verificare gli algoritmi di controllo e per rilevare e correggere gli errori sull’intero campo di funzionamento del motore prima dei test sull’hardware. È possibile ridurre i test di prototipi e verificare la robustezza degli algoritmi di controllo in condizioni di guasto che non sono pratiche da testare sull’hardware.

Utilizzando la simulazione con Simulink, è possibile:

• Modellare vari tipi di motori, tra cui macchine trifase sincrone e asincrone. È possibile creare e utilizzare alternativamente modelli di diversi livelli di fedeltà, da semplici modelli basati su principi primi o somma concentrata a modelli non lineari basati su flussi ad alta fedeltà creati tramite importazione da strumenti FEA come ANSYS^® Maxwell^®, JMAG^® e Femtet^®.
• Modellare controller di corrente e di velocità e modulatori.
• Modellare l’elettronica di potenza dell’inverter.
• Regolare i guadagni del sistema di controllo mediante tecniche di progettazione del controllo lineare, come i diagrammi di Bode e il luogo delle radici, e tecniche quali la regolazione PID automatizzata.
• Modellare modalità di avvio, arresto e guasto e progettare logica di derating e protezione per garantire un funzionamento sicuro.
• Progettare algoritmi basati su osservatori per la stima della posizione e della velocità del rotore.
• Ottimizzare id_ref e iq_ref per ridurre al minimo le perdite di potenza, garantire il funzionamento al di sopra della velocità nominale del rotore e assicurare il funzionamento corretto in caso di incertezze parametriche.
• Progettare algoritmi di elaborazione e condizionamento dei segnali per i canali I/O.
• Eseguire simulazioni a circuito chiuso del motore e del controller per testare le prestazioni di sistema in scenari di funzionamento normale e anomalo.
• Generare automaticamente codice C ANSI, ISO oppure ottimizzato per processori e HDL per la prototipazione rapida, i test Hardware-In-the-Loop e l’implementazione di produzione.