Vektorkontrolle

Vektorkontrolle, auch Feldorientierte Regelung (FOC) genannt, ist eine Regelungsmethode für Wechselstrommaschinen wie Induktionsmotoren oder Permanentmagnet-Synchronmaschinen. Ziel ist es, das Drehmoment und den magnetischen Fluss der Maschine unabhängig voneinander zu steuern, wodurch sich das Verhalten der Maschine vergleichbar mit dem DC-Motor verhält. Dadurch erreicht man eine schnelle Dynamik, einen hohen Wirkungsgrad über einen breiten Drehzahlbereich und eine präzise Regelung.

Zentrales Prinzip ist die Transformation der Statorströme in einen rotierenden Referenzrahmen, üblicherweise über Clarke- und Park-Transformationen, so dass die Stromeingaben in die d- und q-Komponenten aufgeteilt werden. Der d-Achsen-Strom i_d regelt den Fluss, der q-Achsen-Strom i_q das Torque. Das Ansteuerungssignal für den Motor wird durch PI-Regler erzeugt, der die gewünschten i_d- und i_q-Werte in die Spannungen v_d und v_q umsetzt. Diese werden durch eine Leistungsinverter mit Pulsweitenmodulation (PWM) in statische Spannungen umgewandelt, die dem Motor zugeführt werden. Für die Park-Transformation ist die Kenntnis der Rotorlage oder des Rotorwinkels notwendig; es gibt auch sensorlose Ansätze zur Winkel-/Geschwindigkeitsabschätzung.

Wichtige Implementierungserwägungen betreffen genaue Motormodelle und Parameter (Widerstand, Induktivitäten, Magnetisierungsfluss), Regelungsbandbreite, Inverter-Verluste und Abtastfrequenzen. Vektorkontrolle erfordert Hardware wie Digital Signal Processor oder leistungsfähige Mikrocontroller sowie geeignete Sensorik zur Rotorlage oder robuste sensorlose Schätzalgorithmen. Vorteile gegenüber rein skalaren Regelungen sind ein größerer Drehmomentbereich, verbesserte Störfestigkeit und effiziente Regelung über viel Drehzahlen; Nachteile sind erhöhte Komplexität, Kosten und Abhängigkeit von Parameterschätzungen.

Anwendungen finden sich vor allem in modernen Antriebssystemen wie Servoantrieben, CNC-Maschinen, Industrie-Drehzahlregelungen und elektrisch betriebenen Fahrzeugen, wo schnelle Reaktion und Präzision gefordert sind.