A környezetvédelem mindig is aggodalomra ad okot. Az alacsony széndioxid-kibocsátású élet elérése érdekében a fejlett országokban a kormányok adókat és díjakat alkalmaznak a szén-dioxid-kibocsátás és az energiafelhasználás csökkentése érdekében. A villamos energia több mint felét használják a motor meghajtására, ezért a tervezőknek nem szabad hatékonyabb motorvezérlést és tervezést alkalmazniuk.
Ez a cikk bemutatja a mágneses mező orientáció vezérlés (FOC) algoritmust és az impulzus frekvencia modulációt (PFM), hogy szorosan irányítsa a motort a nagy pontosság és a nagy hatékonyság elérése érdekében.
Field Oriented Control (FOC) algoritmus
A skalárvezérlés (vagy általában a feszültség / frekvencia vezérlés) egy egyszerű vezérlési módszer, amely megváltoztatja a motor nyomatékát és sebességét a tápfeszültség (feszültség) megváltoztatásával és az állórész frekvenciájához. Ez a módszer nagyon egyszerű, és még egy 8/16-bites mikroprocesszorral is elvégezhető. Az egyszerű tervezés azonban a legnagyobb hátrány - a robusztus és megbízható irányítás hiánya - kíséri. Ez a vezérlési módszer elegendő, ha a terhelést nagy sebességen állandóan tartják. De ha a terhelés megváltozik, a rendszer nem tud gyorsan reagálni, ami energiaveszteséghez vezethet.
Ezzel szemben a FOC szűk motorvezérlést biztosít. Ez a módszer úgy van megtervezve, hogy az állórészáramot és a mágneses mezőt ortogonális állapotban (azaz 90 fokos szögben) tartsa a maximális nyomaték elérése érdekében. Mivel a rendszer által nyert mágneses térrel kapcsolatos információk állandóak (függetlenül attól, hogy a kódolóból származnak-e, vagy érzékelő nélküli működésben vannak-e becsülve), pontosan szabályozhatják az állórész áramát a maximális mechanikai nyomaték elérése érdekében.
Általánosságban elmondható, hogy a FOC összetettebb, 32 bites processzor és hardveres gyorsítás szükséges. Ennek az az oka, hogy ez a módszer több számítástechnikailag intenzív modulot igényel, például Clark-transzformációval, Parker-transzformációval stb., Hogy kölcsönös konverziót valósítson meg a háromdimenziós vagy kétdimenziós koordinátarendszerek között, hogy kivonja az aktuális és a mágneses fluxus közötti kapcsolatot.
Amint az 1. ábrán látható, a motor vezérléséhez figyelembe veendő bemenetek magukban foglalják a megcélzott nyomatékparancsot, a tápfeszültséget és a forgórész szöget. Az átalakítás és a számítás ezen paraméterek alapján történik, és kiszámítják az energiaelektronika új meghajtási értékét. A FOC ciklusának befejezéséhez szükséges idő a hurokidő. Amint az várható, minél rövidebb a hurokidő, annál gyorsabban reagál a rendszer. A gyorsan reagáló rendszer azt jelenti, hogy a motor gyorsabban alkalmazkodik a terheléshez, és rövidebb idő alatt kompenzálja a hibákat a simább motor működtetése és a nagyobb hatékonyság érdekében.
A FOC algoritmust tipikusan egy beágyazott processzor alkalmazásával hajtják végre, hurokidők között, a modelltől és a rendelkezésre álló hardvertől függően. Ezenkívül a szoftverek felhasználhatók a FOC megvalósításához, de bizonyossága nem garantálható. Ezért számos terv támaszkodik az FPGA hardveres gyorsítására, hogy kihasználja a technológia determinizmusát és nagysebességű feldolgozását. A legfejlettebb 28nm FPGA technológiával a tipikus FOC áramhurok időtartama 1,6us1, ami lényegesen rövidebb, mint a szoftveres megközelítés.
Mivel a továbbfejlesztett motorvezérlés nemcsak csökkenti a zajszintet, hanem javítja a hatékonyságot és a pontosságot, a legfrissebb áramkörök jelenleg hardveren vannak megvalósítva, és hajlamosak arra, hogy a sebesség hurkokat és a pozíciós hurkokat a hardver megvalósításokba vigyék át. Ez a megközelítés azért lehetséges, mert a digitális elektronikus áramkör-technológia előrehaladtával egyetlen eszköz elegendő számítási teljesítménysel rendelkezik. Az FPGA által végrehajtott sebességvezérlő hurok idő és pozíciószabályozó hurokidő a 3.6us1 és a 18us1. Ez jelentős teljesítményjavulás a hagyományos szoftveres megközelítésekkel szemben, mivel a hagyományos helyhurok időtartam általában az ezredmásodperc tartományában van.
moduláció
A moduláció kulcsfontosságú modul az energiahatékonyság javítása érdekében. Különböző modulációs rendszerek alkalmazhatók a terhelés, a teljesítmény követelmények és az alkalmazási követelmények függvényében, és ezek a modulációs rendszerek jelentős hatással vannak a motorvezérlő rendszer működésére. A modulációs vázlat (2. ábra) számos modulációs sémát elemez, amelyeket ebben a cikkben vizsgálunk.
A legegyszerűbb modulációs séma egy hatfokozatú modulációs módszert alkalmaz, amely a háromfázisú áramhidak hat lehetséges kombinációját jelenti (kivéve a 111 és a 000 null állapotot, amelyeknél az összes kapcsoló ki van kapcsolva). Ez a kapcsolási módszer hat hat kék csúcs. A hatfokozatú modulációs módszer a legnagyobb teljesítményt alkalmazza a motorra, vagyis a frekvenciaváltó kimeneti feszültsége egyenlő Vdc-vel.
Bár a kimeneti teljesítmény nagy, és a kivitelezés egyszerű, ha a motor nagy pontosságot és nagy robusztusságot igényel, a hatfokozatú modulációs módszert nem szabad használni. Ez azért van, mert a motor nemlineáris állapotban fut, és "ugrás" az egyik állapotról (csúcs) egy másik állapotba, és nem tud simán futni.
A motor simább működéséhez szinuszos moduláció használható. Lehet-e a szinuszos modulációs módszer a motor simán működni? Bár ez a módszer kissé bonyolultabb, mint a hatfokozatú modulációs módszer, és nincs előnye a hatékonyságnak, mivel a frekvenciaváltó kimenete csak a Vdc fele, alapvetően Vdc / 2 = 0,5 Vdc. A modulációs vázlaton ez a piros kör belső köre.
A szinuszos moduláció által okozott veszteségek kompenzálására PWM (SVPWM) térvektor-moduláció származik. Az SVPWM 1 / √3Vdc = 0.5773Vdc feszültséget tud biztosítani. A szinuszos modulációhoz hasonlóan az SVPWM lehetővé teszi a motor simán történő működtetését is. A modulációs vázlaton ez a piros kör külső köre. A 3. ábra a szinuszos modulációs eljárás és az SVPWM modulációs eljárás hullámforma összehasonlítása.
Mind a szinuszos moduláció, mind az űrvektor-moduláció impulzusszélesség-modulációt (PWM) alkalmaz, amely az egyik legelterjedtebb ipari modulációs technika. Az impulzusszélesség-moduláció azonban rögzített modulációs frekvenciát alkalmaz a tápfeszültség vezérlésére az impulzusszélesség változtatásával, így a harmonikusok előfordulása problémát jelent. A harmonikusok az EMI, a motor rezgése és az energiaveszteség okai.
A harmonikusok elnyomásához egy másik modulációs módszer használható, nevezetesen impulzus-frekvencia moduláció (PFM) használatával. Az impulzus-frekvencia moduláció lehetővé teszi, hogy egy kis számú impulzust rögzített szélességben tartsanak, és különböző időtartamokban (frekvencia) moduláljanak a kívánt értéktől függően. Ez a modulációs módszer csökkenti a harmonikákat, mivel a harmonikusok minden frekvencián átterjednek.
Ez a PWM és a PFM FFT (Fast Fourier Transform) frekvenciaanalízise. Világosan látható, hogy a PFM kiküszöböli a harmadik harmonikus torzítást.
