Miljøvern har alltid vært et tema for bekymring. For å oppnå lavt CO2-liv bruker myndigheter i utviklede land skatter og avgifter for å redusere karbonutslipp og energibruk. Mer enn halvparten av strømmen brukes til å kjøre motoren, slik at designere ikke trenger å bruke mer effektiv motorstyring og design.
Denne artikkelen vil introdusere bruk av FOC-algoritme og pulsfrekvensmodulasjon (PFM) for å kontrollere motoren nøye for å oppnå høy presisjon og høy effektivitet.
Feltorientert kontroll (FOC) algoritme
Scalar kontroll (eller ofte referert til som spenning / frekvensstyring) er en enkel kontrollmetode som endrer motorens dreiemoment og hastighet ved å endre strømforsyningen (spenning) og frekvensen som følger med til statoren. Denne metoden er ganske enkel og kan gjøres selv med en 8/16-bit mikroprosessor. Den enkle utformingen er imidlertid ledsaget av den største ulempen - mangelen på robust og pålitelig kontroll. Denne kontrollmetoden er tilstrekkelig hvis lasten holdes konstant ved høye hastigheter. Men når lasten endres, kan systemet ikke reagere raskt, noe som resulterer i energitap.
I kontrast gir FOC tett motorstyring. Denne metoden er utformet for å opprettholde statorstrømmen og magnetfeltet i en ortogonal tilstand (dvs. i en 90 graders vinkel) for å oppnå maksimalt dreiemoment. Siden magnetfelt-relatert informasjon oppnådd av systemet er konstant (enten oppnådd fra koderen eller estimert i sensorløs drift), kan den nøyaktig styre statorstrømmen for å oppnå maksimalt mekanisk dreiemoment.
Generelt er FOC mer komplekst og krever 32-bits prosessor og maskinvareakselerasjon. Årsaken er at denne metoden krever flere beregningsintensive moduler, for eksempel Clark transform, Parker transformasjon etc. for å utføre gjensidig omdanning mellom tredimensjonale eller todimensjonale koordinatsystemer for å trekke sammen forholdet mellom strøm og strøm.
Som vist i figur 1, er inngangene som skal vurderes for styring av motoren, målmomentkommandoen, tilførselsstrømmen og rotorvinkelen. Konvertering og beregning utføres basert på disse parametrene, og den nye drivverdien til kraftelektronikken beregnes. Tiden som kreves for å fullføre en syklus av FOC kalles løkke tiden. Som forventet, jo kortere sløyfetiden, desto raskere vil systemet svare. Et hurtigreaktivt system betyr at motoren raskt kan tilpasse seg lasten og kompensere for feil på kortere tid for jevnere motordrift og høyere effektivitet.
FOC-algoritmen implementeres typisk ved hjelp av en innebygd prosessor med sløyfetider mellom 50 og 100, avhengig av modell og tilgjengelig maskinvare. I tillegg kan programvare brukes til å implementere FOC, men sikkerheten kan ikke garanteres. Derfor er et stort antall motiver avhengig av FPGA-maskinvareaccelerasjon for å utnytte determinismen og høyhastighetsbehandling av denne teknologien. Ved hjelp av den mest avanserte 28nm FPGA teknologien, er den typiske FOC strømsløyfe tiden 1,6us1, noe som er betydelig kortere enn programvaren.
Siden forbedret motorstyring ikke bare reduserer støy, men også forbedrer effektivitet og nøyaktighet, er de nåværende løpene for tiden implementert i maskinvare og har en tendens til å migrere fartsløyfer og posisjonsløyfer i maskinvareimplementeringer. Denne tilnærmingen er mulig, fordi en enkelt enhet har nok databehandlingskraft med fremdriften av digital elektronisk kretsteknologi. Hastighetskontrollsløyfetid og posisjonskontrollsløyfetid implementert av FPGA er henholdsvis 3,6us1 og 18us1. Dette er en signifikant ytelsesforbedring i forhold til tradisjonelle programvare tilnærminger, fordi tradisjonelle plassering sløyfe ganger er vanligvis i millisekund rekkevidde.
modulasjon
Modulasjon er også en nøkkelmodul for å forbedre energieffektiviteten. Ulike moduleringsordninger kan brukes avhengig av belastning, ytelseskrav og krav til bruk, og disse moduleringssystemene har en betydelig innvirkning på driften av motorstyringssystemet. Modulasjonsskjematisk (Figur 2) analyserer flere moduleringsordninger vi skal gjennomgå i denne artikkelen.
Det mest grunnleggende modulasjonsskjemaet bruker en seks-trinns modulasjonsmetode, som representerer seks mulige kombinasjoner av trefasekraftbroer (unntatt 111 og 000 nullstillingene, der alle brytere er slått av). Denne brytermetoden er representert som seks blå hjørner av en sekskant. Den seks-trinns modulasjonsmetoden gjelder maksimal effekt til motoren, det vil si at utgangsspenningen til omformeren er lik Vdc.
Selv om utgangseffekten er stor og designimplementeringen er enkel, må motoren kreve høy presisjon og høy robusthet, og det skal ikke brukes seks trinns modulasjonsmetode. Dette skyldes at motoren går i en ikke-lineær tilstand og må "hoppe" fra en tilstand (vertex) til en annen stat og ikke kan løpe jevnt.
For jevnere drift av motoren kan sinusformet modulering brukes. Kan sinusformet moduleringsmetode få motoren til å kjøre jevnt? Selv om denne metoden er litt mer komplisert enn seks-trinns moduleringsmetoden, og det er ingen fordel i effektivitet, fordi utgangen fra omformeren er bare halvparten av Vdc, i utgangspunktet Vdc / 2 = 0,5 Vdc. På moduleringsskjematisk er dette representert som den indre sirkelen av den røde sirkelen.
For å kompensere for tapene forårsaket av sinusformet modulering, blir romvektor PWM (SVPWM) -modulasjon avledet. SVPWM kan gi en spenning på 1 / √3Vdc = 0,5773Vdc. På samme måte som sinusformet modulasjon, tillater SVPWM også at motoren løper jevnt. På moduleringsskjematisk er dette representert som den ytre sirkelen av den røde sirkelen. Figur 3 er en bølgeform sammenligning av sinusformet modulasjonsmetode og SVPWM modulasjonsmetoden.
Både sinusformet modulering og romvektormodulasjon bruker pulsbreddemodulasjon (PWM), en av de vanligste industrielle moduleringsteknikkene. Imidlertid bruker pulsbreddemodulering en fast modulasjonsfrekvens for å justere styringen av forsyningsspenningen ved å endre pulsbredden, slik at forekomsten av harmoniske er et problem. Harmonikk er årsaken til EMI, motorvibrasjon og energitap.
For å undertrykke harmoni, kan en annen moduleringsmetode benyttes, nemlig ved bruk av pulsfrekvensmodulasjon (PFM). Pulsfrekvensmodulering tillater et lite antall pulser som skal holdes ved en fast bredde og moduleres i forskjellige perioder (frekvens) avhengig av ønsket verdi. Denne moduleringsmetoden reduserer harmonikken fordi harmoniene er spredt over alle frekvenser.
Dette er en sammenligning av FFT (Fast Fourier Transform) -frekvensanalysen av PWM og PFM. Det kan tydelig settes at PFM kan eliminere den tredje harmoniske forvrengningen.
