Vektorové řízení (FOC) vysvětleno: Clarkeova transformace, Parkova transformace, osy d a q
Téměř všechny moderní výkonnostní řídicí jednotky ovládají své motory pomocí vektorového řízení, což je v angličtině známé jako FOC („Field Oriented Control“, řízení orientované na tok). Víme, že tato metoda činí motor tišším a efektivnějším. Tento návod vysvětluje, jak toho dosahuje, bez složitých rovnic, ale aniž by něco vynechal.
Nejdůležitější
- Krouticí moment motoru s permanentními magnety závisí na úhlu mezi magnetickým polem rotoru a polem vytvářeným proudem: je maximální, když jsou tato pole vzájemně kolmá (90°).
- Algoritmus FOC neustále vypočítává polohu rotoru a přesně umisťuje proud pod úhlem 90°.
- Pro dosažení tohoto cíle, zařízení přeměňuje tři střídavé proudy motoru na dvě pevné hodnoty, které se nazývají proud "d" a proud "q".
- Proud "q" vytváří točivý moment; proud "d" by měl být blízko nule, s výjimkou případů, kdy je potřeba zvýšit rychlost (odstraňování magnetického toku).
Problém, který je třeba vyřešit
Motor s permanentními magnety má magnety na své rotující části (rotoru) a vinutí na své pevné části (statoru). Proud ve vinutích vytváří magnetické pole; magnety mají své vlastní. Točivý moment vzniká díky přitažlivosti mezi těmito dvěma poli, přesně jako u dvou magnetů, které se k sobě přibližují.
Tento točivý moment je maximální, když magnetické pole vinutí je posunuté o čtvrt otáčky, tedy o 90°, ve vztahu k magnetickému poli magnetů. Pokud je posunutí menší, motor poskytuje menší točivý moment a zároveň se zahřívá; při 0° se motor pouze zahřívá. Protože rotor se otáčí, magnetické pole vinutí se musí s ním otáčet, přičemž musí udržovat tento úhel, stovkykrát za sekundu.
Ovládání pomocí obdélníkové vlny využívá pouze šest pozic za jeden otáčku elektromotoru: úhel se mění kolem 90°, ale nikdy se na této hodnotě nezdrží. Proto vznikají kolísání točivého momentu a hluk. FOC (Field-Oriented Control) naopak usiluje o udržení úhlu 90° nepřetržitě.
Krok 1: Změřte proudy a zjistěte polohu
Řídicí jednotka měří proud v jednotlivých fázích motoru desítky tisícůkrát za sekundu. Protože součet proudů ve všech třech fázích je teoreticky nulový, stačí měřit proud ve dvou fázích; mnoho řídicích jednotek měří proud ve všech třech fázích pro dosažení vyšší přesnosti.
Je potřeba také znát úhel rotoru, který je poskytován senzory (Hall, encoder), nebo odhadnut pomocí výpočtu nazvaného "pozorovatel", na základě napětí a proudů. Náš návod o senzorech polohy podrobněji popisuje tato řešení.
Krok 2: Clarkeova transformace – převod ze tří fází na dvě
Tři fáze motoru jsou posunuté o 120°. Transformace Clarke slučuje tři proudy do dvou kolmých složek, nazývaných alfa a beta, přičemž neztrácí žádné informace. Přechází se z systému se třemi osami do běžné roviny se dvěma osami. Tyto dva proudy zůstávají střídavé: otáčejí se spolu s motorem.
Krok 3: Zaparkujte a pozorujte z oblasti rotoru
Základní myšlenkou FOC (Field-Oriented Control) je tato transformace. Transformace Park otáčí tento plán spolu s rotorem, přičemž využívá jeho úhel. Pokud se na to díváme z pohledu rotoru, proud už se netočí: stává se dvěma hodnotami, které jsou téměř konstantní.
- Proud (z anglického slova "direct", což znamená "přímý") je zarovnán s polem magnetů. Nevytváří točivý moment u motoru s povrchovými magnety; spíše posiluje nebo oslabuje pole magnetů.
- Proud q (pro "kvadraturu") je otočen o 90° vůči magnetům. Právě tento proud vytváří točivý moment, a to proporcionálně.
Ovládání třífázového střídavého motoru se tak stává stejně jednoduché jako ovládání motoru s proudem stejnosměrným: místo sledování tří sinusových vln se nastavují pouze dvě pevné hodnoty.
Krok 4: Regulátory
Akcelerátor nastavuje požadovaný točivý moment, a tedy i proud q. Požadovaný proud d je v běžném případě nula. Dva regulátory, jeden pro každou osu, neustále porovnávají naměřený proud s jeho požadovanou hodnotou a vypočítávají napětí, které je třeba aplikovat pro korekci rozdílu. Obvykle se jedná o regulátory tzv. proporcionálně-integrační (PI), jejichž nastavení závisí na odporu a indukčnosti motoru. Pro jejich výpočet se provádí detekce motoru.
Krok 5: Reverzní režim a modulace
Regulátory poskytují dvě napětí v souřadnicovém systému rotoru. Transformace Park tyto hodnoty převádí do pevného souřadnicového systému statoru, a poté je řídicí jednotka převede na příkazy pro otevírání a zavírání všech šesti spínačů v napájecím můstku. Tento poslední krok se nazývá modulace; nejběžnější metoda, tzv. vektorová (SVPWM), umožňuje čerpat o něco více užitečného napětí z baterie než jednoduchá sinusová modulace.
Celý tento cyklus se opakuje v každém časovém úseku, typicky desítky tisícůkrát za sekundu. Náš návod o vnitřním fungování elektronického řídicího systému motoru ukazuje, jaké komponenty provádějí tyto instrukce.
Co konkrétně přináší technologie FOC?
- Standardní nastavení: méně vibrací, jemnější rozjezd, tišší motor.
- Vyšší účinnost: Každý ampér je využit tam, kde produkuje točivý moment, což snižuje zahřívání při stejném točivém momentu.
- Přímá kontrola točivého momentu: Akcelerátor ovládá sílu, což zajišťuje přesné ovládání.
- Oslabování magnetického pole (defiluxování): Změnou hodnoty proudu "d" je možné překročit maximální "přirozenou" rychlost motoru. Podívejte se na náš návod o oslabování magnetického pole (defiluxování).
Omezení
- Režim FOC závisí na přesné poloze rotoru; jakákoli chyba v úhlu vede ke ztrátě točivého momentu a přehřívání motoru.
- Základem je model motoru: nesprávné parametry (chybné nastavení, přehřívání motoru) negativně ovlivňují jízdní vlastnosti.
- Vyžaduje to více výpočtů, a proto je potřeba rychlejší mikrokontrolér než u systému s pulzním šířkovým modulačním (PWM) řízením.
Často kladené otázky
Je to totéž, co "ovladač s sinusovým řízením"?
Není to úplně tak. Řídicí jednotka s funkcí "sinus" odesílá sinusové napětí, což již samo o sobě změkčuje chod motoru. FOC jde ještě dál: měří proudy a reguluje je v souřadnicovém systému rotoru. Všechny řídicí jednotky s funkcí FOC produkují sinusové proudy, ale ne všechny řídicí jednotky s funkcí "sinus" mají funkci FOC.
Proč udržovat proud "A" na nule?
U motoru s povrchovými magnety proud "d" nevytváří točivý moment; pouze by motor zahříval. Proto se udržuje na hodnotě nula, s výjimkou případů, kdy se používá pro demagnetizaci při vysokých rychlostech. U motoru s vnitřními magnety naopak proud "d" správně nastavený zvyšuje točivý moment.
Funguje režim FOC bez použití snímače?
Ano, díky senzoru, který odhaduje polohu na základě napětí a proudů. To je velmi efektivní při jízdě, ale náročnější při úplném zastavení, kde jsou potřeba speciální techniky nebo senzory.