Einführung in die feldorientierte Regelung

Die feldorientierte Regelung (Field-Oriented Control, FOC) bzw. Vektorregelung ist eine Regelungstechnik, mit der eine gute Kontrollierbarkeit im gesamten Drehmoment- und Drehzahlbereich verschiedener Motortypen erzielt wird, darunter Induktionsmaschinen, Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSMs) und bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDCs). Bei Drehzahlen oberhalb der Nenndrehzahl wird eine feldorientierte Regelung mit Feldschwächungsregelung verwendet.

Das nachstehende Blockdiagramm zeigt die Architektur einer feldorientierten Regelung mit den folgenden Komponenten:

• Stromregler aus zwei proportional-integralen Reglern
• Optionaler äußerer Geschwindigkeitsregler und Stromreferenzgenerator
• Clarke-, Park- und inverse Park-Transformationen für die Konvertierung zwischen stationären und rotierenden synchronen Bezugsrahmen
• Ein Raumzeiger-Modulator-Algorithmus zur Umwandlung von vα- und vβ-Befehlen in Pulsbreiten-Modulationssignale, die auf Statorwicklungen angewendet werden
• Schutz- und Zusatzfunktionen, einschließlich der Anfahr- und Abschaltlogik
• Optionaler Beobachter zur Schätzung der Winkelposition des Rotors, wenn eine sensorlose Regelung gewünscht wird

Entwickler von Motorregelungen führen beim Entwurf einer feldorientierten Regelung die folgenden Aufgaben durch:

• Entwicklung der Regelungsarchitektur mit zwei PI-Reglern für den Stromkreis
• Entwicklung von PI-Reglern für die optionalen äußeren Drehzahl- und Positionsregelkreise
• Abstimmung der Verstärkungen aller PI-Controller auf die Leistungsanforderungen
• Entwurf eines Raumzeiger-Modulators für die PWM-Regelung
• Entwicklung eines Beobachter-Algorithmus zur Schätzung der Rotorposition und -geschwindigkeit, wenn eine sensorlose Regelung verwendet wird
• Entwicklung von Algorithmen für maximales Drehmoment pro Ampere oder für die Feldschwächungsregelung, um optimale id_ref und iq_ref zu generieren
• Implementierung rechnerisch effizienter Park-, Clarke- und inverser Park-Transformationen
• Entwickeln einer Logik für Fehlererkennung und -schutz
• Verifizierung und Validierung der Controller-Leistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen
• Implementierung eines Reglers in Fest- oder Gleitkommadarstellung auf einem Microcontroller oder einer FPGA

Der Entwurf von feldorientierten Regelungen mit Simulink ermöglicht die Verwendung von Multirate-Simulationen, um Regelungsalgorithmen zu entwerfen, abzustimmen und zu verifizieren sowie Fehler im gesamten Betriebsbereich des Motors zu erkennen und zu korrigieren, bevor die Hardware getestet wird. Sie können den Aufwand für Prototypentests reduzieren und die Robustheit von Regelungsalgorithmen gegenüber Fehlerbedingungen überprüfen, für die Tests an der Hardware nicht praktikabel wären.

Mithilfe von Simulationen mit Simulink haben Sie folgende Möglichkeiten:

• Modellierung verschiedener Motortypen, einschließlich synchroner und asynchroner Dreiphasenmaschinen. Sie können Modelle mit verschiedenen Genauigkeitsstufen erstellen und zwischen ihnen wechseln – von einfachen Modellen nach Grundprinzipien mit konzentrierten Parametern bis hin zu hochgenauen, flussbasierten nichtlinearen Modellen, die durch den Import aus FEA-Tools wie ANSYS^® Maxwell^®, JMAG^® und Femtet^® erstellt werden.
• Modellierung von Stromreglern, Drehzahlreglern und Modulatoren.
• Modellierung von Leistungselektronik für Wechselrichter.
• Abstimmung von Verstärkungsfaktoren für Regelungssysteme mithilfe linearer Regelungsentwurfstechniken wie Bode-Diagrammen und Wurzelort sowie Techniken wie der automatischen PID-Abstimmung.
• Modellierung von Anfahr-, Abschalt- und Fehlermodi und Entwicklung von Derating- und Schutzlogik für den sicheren Motorbetrieb.
• Entwurf von Beobachter-Algorithmen zur Schätzung von Rotorposition und -geschwindigkeit.
• Optimierung von id_ref und iq_ref zur Gewährleistung minimaler Leistungsverluste, des Betriebs über der Nenndrehzahl des Rotors und des ordnungsgemäßen Betriebs bei parametrischer Unsicherheit.
• Entwurf von Algorithmen für die Signalaufbereitung und -verarbeitung für die E/A-Kanäle.
• Durchführung von Simulationen des Motors und Reglers im geschlossenen Regelkreis, um die Systemleistung unter normalen und abnormalen Betriebsbedingungen zu testen.
• Automatische Generierung von ANSI-, ISO- oder prozessor-optimiertem C Code und HDL für Rapid Prototyping, Hardware-in-the-Loop-Tests und zur Implementierung in der Produktion