التحكم الموجه للمجال

التحكم الموجه للمجال ( FOC )، ويُسمى أيضًا التحكم المتجهي ، هو أسلوب تحكم في محركات التردد المتغير (VFD) حيث تُحدد تيارات الجزء الثابت لمحرك تيار متردد ثلاثي الأطوار (مثل محرك التيار المستمر بدون فرش BLDC ) كمركبتين متعامدتين يمكن تمثيلهما كمتجه . تُحدد إحدى المركبتين التدفق المغناطيسي للمحرك، بينما تُحدد الأخرى عزم الدوران . يُوصف تنظيم التدفق المغناطيسي في المحركات الكهربائية أحيانًا بالتحكم في التدفق، في إشارة إلى التحكم المنفصل في التدفق وعزم الدوران في أنظمة التحكم الموجه للمجال. يحسب نظام التحكم في المحرك مراجع مركبات التيار المقابلة من مراجع التدفق وعزم الدوران التي يوفرها نظام التحكم في سرعة المحرك . عادةً ما تُستخدم وحدات تحكم تناسبية تكاملية (PI) للحفاظ على مركبات التيار المقاسة عند قيمها المرجعية. يُحدد تعديل عرض النبضة لمحرك التردد المتغير تبديل الترانزستور وفقًا لمراجع جهد الجزء الثابت التي تُمثل خرج وحدات التحكم في تيار PI. ^{[ 1 ]}

تُستخدم تقنية التحكم الموجه للمجال (FOC) للتحكم في المحركات المتزامنة والحثية للتيار المتردد . [ 2 ^{] طُوّرت هذه} التقنية في الأصل لتطبيقات المحركات عالية الأداء التي تتطلب التشغيل السلس على نطاق السرعة الكامل، وتوليد عزم دوران كامل عند سرعة صفرية ، وأداءً ديناميكيًا عاليًا يشمل التسارع والتباطؤ السريعين . ومع ذلك، أصبحت هذه التقنية جذابة بشكل متزايد للتطبيقات ذات الأداء المنخفض أيضًا نظرًا لتفوقها في تقليل حجم المحرك وتكلفته واستهلاكه للطاقة . ^{[ 3 ] [ 4 ]} من المتوقع أنه مع تزايد القدرة الحاسوبية للمعالجات الدقيقة، ستحل هذه التقنية في نهاية المطاف محل التحكم القياسي أحادي المتغير ( التحكم بالفولت لكل هرتز ، V/f) بشكل شبه كامل. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

بدأ ك. هاس من جامعة دارمشتات التقنية، وف. بلاشكه من شركة سيمنز، في تطوير تقنية التحكم الاتجاهي لمحركات التيار المتردد بدءًا من عام 1968 وأوائل سبعينيات القرن العشرين. قدّم هاس تقنية التحكم الاتجاهي غير المباشر، بينما قدّم بلاشكه تقنية التحكم الاتجاهي المباشر. ^{[ 7 ] [ 8 ]} كما طوّر فيرنر ليونارد من جامعة براونشفايغ التقنية تقنيات التحكم الموجه للمجال (FOC)، وكان له دورٌ محوري في إتاحة الفرصة لمحركات التيار المتردد لتكون بديلاً تنافسيًا لمحركات التيار المستمر . ^{[ 9 ] [ 10 ]}

مع ذلك، لم تُصبح محركات التيار المتردد للأغراض العامة متاحة إلا بعد تسويق المعالجات الدقيقة ، أي في أوائل ثمانينيات القرن العشرين. ^{[ 11 ] [ 12 ]} وشملت عوائق استخدام تقنية التحكم الموجه للمجال (FOC) في تطبيقات محركات التيار المتردد ارتفاع التكلفة والتعقيد وانخفاض إمكانية الصيانة مقارنةً بمحركات التيار المستمر، إذ كانت تقنية FOC تتطلب حتى ذلك الحين العديد من المكونات الإلكترونية من حيث أجهزة الاستشعار والمضخمات وما إلى ذلك. ^{[ 13 ]}

لطالما استُخدم تحويل بارك على نطاق واسع في تحليل ودراسة الآلات التزامنية والحثية. ويُعدّ هذا التحويل المفهوم الأهم لفهم آلية عمل التحكم الموجه للمجال (FOC)، وقد طُرح هذا المفهوم لأول مرة في ورقة بحثية نُشرت عام 1929 بقلم روبرت هـ. بارك . ^{[ 14 ]} وقد احتلت ورقة بارك المرتبة الثانية من حيث التأثير بين جميع الأوراق البحثية المتعلقة بهندسة الطاقة التي نُشرت في القرن العشرين. وتكمن حداثة عمل بارك في قدرته على تحويل مجموعة المعادلات التفاضلية الخطية لأي آلة ذات صلة من مجموعة ذات معاملات متغيرة مع الزمن إلى أخرى ذات معاملات ثابتة مع الزمن ^{[ 15 ]،} مما ينتج عنه نظام خطي ثابت مع الزمن (LTI).

نظرة عامة على منصات التحكم الرئيسية المتنافسة في محركات التردد المتغير:

على الرغم من أن تحليل أنظمة التحكم في محركات التيار المتردد قد يكون معقدًا من الناحية الفنية ("انظر أيضًا" القسم)، إلا أن هذا التحليل يبدأ دائمًا بنمذجة دائرة محرك القيادة المعنية وفقًا لمخطط تدفق الإشارة والمعادلات المصاحبة. ^{[ 16 ]}

رموز المعلمات الأساسية
أنا	حاضِر
ك	معامل اقتران اللفائف المعنية
ل	الحث
ر	مقاومة
ت	وقت
تي	عزم الدوران
u	الجهد االكهربى
${\displaystyle \psi }$	وصلة التدفق
${\displaystyle \tau }$	الوقت المعياري
${\displaystyle \tau }$	ثابت الزمن (TC) مع الرمز السفلي
${\displaystyle \omega }$	السرعة الزاوية
${\displaystyle \sigma l_{s}}$	الحث الكلي للتسرب

الرموز السفلية والرموز العلوية
هـ	الكهروميكانيكية
أنا	الجهد المستحث
ك	المشار إليها بإحداثيات k
ل	حمولة
م	الحث المتبادل
م	ميكانيكي (TC، السرعة الزاوية)
ر	الدوار
R	القيمة المقدرة
s	الجزء الثابت
${\displaystyle '}$	يشير إلى ثابت الزمن العابر

في التحكم الاتجاهي، يُتحكم في محرك التيار المتردد الحثي أو المتزامن في جميع ظروف التشغيل كما لو كان محرك تيار مستمر ذو إثارة منفصلة. ^{[ 21 ]} أي أن محرك التيار المتردد يتصرف كمحرك تيار مستمر حيث يكون تدفق المجال وتدفق العضو الدوار الناتجين عن تيارات المجال والعضو الدوار (أو مركبة العزم) متعامدين بحيث لا يتأثر تدفق المجال عند التحكم في العزم، مما يتيح استجابة ديناميكية للعزم.

وبناءً على ذلك، يقوم التحكم المتجهي بتوليد خرج جهد محرك ثلاثي الأطوار بتقنية تعديل عرض النبضة (PWM) مشتق من متجه جهد مركب للتحكم في متجه تيار مركب مشتق من مدخل تيار الجزء الثابت ثلاثي الأطوار للمحرك من خلال إسقاطات أو دورانات ذهابًا وإيابًا بين النظام ثلاثي الأطوار المعتمد على السرعة والزمن ونظام الإحداثيات الثنائية الثابت زمنيًا في الإطار المرجعي الدوار لهذه المتجهات. ^{[ 22 ]}

Such complex stator current space vector can be defined in a (d,q) coordinate system with orthogonal components along d (direct) and q (quadrature) axes such that field flux linkage component of current is aligned along the d axis and torque component of current is aligned along the q axis.^[21] The induction motor's (d,q) coordinate system can be superimposed to the motor's instantaneous (a,b,c) three-phase sinusoidal system as shown in accompanying image (phases b & c not shown for clarity). Components of the (d,q) system current vector allow conventional control such as proportional and integral, or PI, control, as with a DC motor.

Projections associated with the (d,q) coordinate system typically involve:^[16][22][23]

• Forward projection from instantaneous currents to (a,b,c) complex stator current space vector representation of the three-phase sinusoidal system.
• Forward three-to-two phase, (a,b,c)-to-(${\displaystyle \alpha }$,${\displaystyle \beta }$) projection using the Clarke transformation. Vector control implementations usually assume ungrounded motor with balanced three-phase currents such that only two motor current phases need to be sensed. Also, backward two-to-three phase, (${\displaystyle \alpha }$,${\displaystyle \beta }$)-to-(a,b,c) projection uses space vector PWM modulator or inverse Clarke transformation and one of the other PWM modulators.
• Forward and backward two-to-two phase,(${\displaystyle \alpha }$,${\displaystyle \beta }$)-to-(d,q) and (d,q)-to-(${\displaystyle \alpha }$,${\displaystyle \beta }$) projections using the Park and inverse Park transformations, respectively.

The idea of using the park transform is to convert the system of three phase currents and voltages into a two coordinate linear time-invariant system. By making the system LTI is what enables the use of simple and easy to implement PI controllers, and also simplifies the control of flux and torque producing currents.

However, it is not uncommon for sources to use combined transform three-to-two, (a,b,c)-to-(d,q) and inverse projections.

While (d,q) coordinate system rotation can arbitrarily be set to any speed, there are three preferred speeds or reference frames:^[17]

• Stationary reference frame where (d,q) coordinate system does not rotate;
• Synchronously rotating reference frame where (d,q) coordinate system rotates at synchronous speed;
• Rotor reference frame where (d,q) coordinate system rotates at rotor speed.

Decoupled torque and field currents can thus be derived from raw stator current inputs for control algorithm development.^[24]

في حين يمكن تشغيل مكونات المجال المغناطيسي وعزم الدوران في محركات التيار المستمر بسهولة نسبية عن طريق التحكم بشكل منفصل في تيارات المجال وتيارات المحرك، فقد تطلب التحكم الاقتصادي في محركات التيار المتردد في تطبيقات السرعة المتغيرة تطوير أنظمة تحكم تعتمد على المعالجات الدقيقة ^{[ 24 ]} ، حيث تستخدم جميع محركات التيار المتردد الآن تقنية معالجة الإشارات الرقمية (DSP) القوية. ^{[ 25 ]}

يمكن تنفيذ العاكسات إما كحلقة مفتوحة بدون مستشعرات أو كحلقة مغلقة للتحكم الموجه للمجال، ويتمثل القيد الرئيسي للتشغيل في الحلقة المفتوحة في الحد الأدنى للسرعة الممكنة عند عزم دوران بنسبة 100%، أي حوالي 0.8  هرتز مقارنة بالتوقف التام للتشغيل في الحلقة المغلقة. ^{[ 9 ]}

توجد طريقتان للتحكم الاتجاهي: التحكم الاتجاهي المباشر أو التغذية الراجعة (DFOC)، والتحكم الاتجاهي غير المباشر أو التغذية الأمامية (IFOC). يُستخدم IFOC بشكل أكثر شيوعًا لأنه في وضع الحلقة المغلقة، تعمل هذه المحركات بسهولة أكبر ضمن نطاق السرعة من الصفر إلى السرعات العالية التي تُضعف المجال المغناطيسي. ^{[ 26 ]} في DFOC، تُحسب إشارات التغذية الراجعة لقيمة التدفق وزاويته مباشرةً باستخدام ما يُسمى بنماذج الجهد أو التيار. أما في IFOC، فتقيس إشارات التغذية الأمامية لزاوية التدفق وقيمة التدفق تيارات الجزء الثابت وسرعة الجزء الدوار أولًا ، ثم تُستنتج زاوية التدفق المناسبة عن طريق جمع زاوية الجزء الدوار المقابلة لسرعة الجزء الدوار مع القيمة المرجعية المحسوبة لزاوية الانزلاق المقابلة لتردد الانزلاق. ^{[ 27 ] [ 28 ]}

يُعدّ التحكم بدون مستشعرات (انظر مخطط كتلة التحكم الموجه للمجال بدون مستشعرات) لمحركات التيار المتردد خيارًا جذابًا من حيث التكلفة والموثوقية. ويتطلب هذا النوع من التحكم استخلاص معلومات سرعة الدوار من قياسات جهد وتيارات الجزء الثابت، بالإضافة إلى استخدام مُقدِّرات الحلقة المفتوحة أو مُراقبات الحلقة المغلقة. ^{[ 16 ] [ 20 ]}

1. يتم قياس تيارات طور الجزء الثابت، وتحويلها إلى متجه فضائي مركب في نظام الإحداثيات (أ، ب، ج).
2. يتم تحويل التيار إلى (${\displaystyle \alpha }$،${\displaystyle \beta }$يتم تحويل نظام الإحداثيات إلى نظام إحداثيات يدور في إطار مرجعي للدوار ، ويتم اشتقاق موضع الدوار عن طريق تكامل السرعة بواسطة مستشعر قياس السرعة .
3. يتم تقدير متجه ربط التدفق الدوار عن طريق ضرب متجه تيار الجزء الثابت في محاثة التمغنط L _m وتصفية النتيجة بتمرير منخفض باستخدام ثابت زمن عدم التحميل الدوار L _r /R _r ، أي نسبة محاثة الدوار إلى مقاومة الدوار.
4. يتم تحويل المتجه الحالي إلى نظام إحداثيات (d,q).
5. يُستخدم مُركّب المحور d لمتجه تيار الجزء الثابت للتحكم في تدفق المجال المغناطيسي للدوار، بينما يُستخدم مُركّب المحور q التخيلي للتحكم في عزم دوران المحرك. وعلى الرغم من إمكانية استخدام وحدات التحكم التناسبية التكاملية (PI) للتحكم في هذه التيارات، إلا أن التحكم في التيار من نوع "بانغ بانغ" يوفر أداءً ديناميكيًا أفضل.
6. توفر وحدات التحكم التناسبية التكاملية (PI) مركبات جهد الإحداثيات (d,q). يُضاف أحيانًا حد فصل إلى خرج وحدة التحكم لتحسين أداء التحكم، وذلك للحد من التداخل أو التغيرات الكبيرة والسريعة في السرعة والتيار وتدفق المجال المغناطيسي. كما تحتاج وحدات التحكم التناسبية التكاملية أحيانًا إلى ترشيح تمرير منخفض عند المدخل أو المخرج لمنع تموج التيار الناتج عن تبديل الترانزستور من التضخيم المفرط وعدم استقرار التحكم. مع ذلك، يُحد هذا الترشيح أيضًا من أداء نظام التحكم الديناميكي.  عادةً ما يتطلب الأمر تردد تبديل عالٍ (أكثر من 10 كيلوهرتز عادةً) لتقليل متطلبات الترشيح في المحركات عالية الأداء، مثل محركات المؤازرة.
7. يتم تحويل مركبات الجهد من نظام الإحداثيات (d,q) إلى (${\displaystyle \alpha }$،${\displaystyle \beta }$) نظام الإحداثيات.
8. يتم تحويل مكونات الجهد من (${\displaystyle \alpha }$،${\displaystyle \beta }$) نظام الإحداثيات إلى نظام الإحداثيات (أ، ب، ج) أو يتم تغذيته في معدل تعديل عرض النبضة (PWM) ، أو كليهما، للإشارة إلى قسم عاكس الطاقة.

الجوانب الهامة لتطبيق مكافحة النواقل:

• يلزم قياس السرعة أو الموقع أو نوع من التقدير.
• يمكن تغيير عزم الدوران والتدفق بسرعة معقولة، في أقل من 5-10 مللي ثانية، عن طريق تغيير المراجع.
• يُظهر استجابة الخطوة بعض التجاوز إذا تم استخدام التحكم التناسبي التكاملي (PI).
• عادة ما يكون تردد تبديل الترانزستورات ثابتًا ويتم ضبطه بواسطة المعدِّل.
• تعتمد دقة عزم الدوران على دقة معايير المحرك المستخدمة في التحكم. ولذلك، غالباً ما تُلاحظ أخطاء كبيرة نتيجة لتغيرات درجة حرارة الدوار، على سبيل المثال.
• الأداء المعقول للمعالج مطلوب؛ وعادةً ما يتم حساب خوارزمية التحكم في كل دورة PWM.

على الرغم من أن خوارزمية التحكم الاتجاهي أكثر تعقيدًا من خوارزمية التحكم المباشر في العزم (DTC)، إلا أنها لا تتطلب نفس وتيرة الحساب. كما أن مستشعرات التيار المستخدمة ليست بالضرورة الأفضل في السوق. وبالتالي، تكون تكلفة المعالج وباقي مكونات التحكم أقل، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي لا تتطلب الأداء الأمثل لخوارزمية DTC.