Modulace vektorová (SVPWM): Jak ovladač vytváří sinusové vlny pomocí šesti spínačů

Vektorové řízení v každém okamžiku vypočítává napětí, které je potřeba aplikovat na motor. Následně je nutné toto napětí vygenerovat pomocí mostu se šesti spínači, které umí pouze dvě věci: být otevřené nebo zavřené. Tím se zabývá modulace, a nejběžnější metoda se nazývá vektorová modulace, nebo SVPWM („Space Vector Pulse Width Modulation“).

Osm stavů, a už ne více

Každá fáze motoru je připojena buď k plusovému, nebo k mínusovému pólu baterie, v závislosti na tom, který ze dvou spínačů je uzavřen (viz vnitřek řídicí jednotky motoru). S třemi fázemi a dvěma možnostmi pro každou z nich existuje 2 × 2 × 2 = 8 kombinací.

• Šest aktivních kombinací: alespoň jedna fáze je v maximu a alespoň jedna je v minimu. Každá z nich posouvá magnetické pole motoru v pevně daném směru. Tyto šest směrů jsou rozmístěny v úhlu 60° a tvoří hexagon.
• Dvě nulové kombinace: buď všechny tři fáze, nebo minimálně tři z nich. Mezi fázemi není přivedeno žádné napětí.

Vytvoření libovolného napětí pomocí průměrování

Vektorové řízení vyžaduje napětí s určitou intenzitou a směrem, které se otáčí spolu s rotorem. Tento směr se téměř vždy nachází mezi dvěma ze šesti dostupných směrů.

Myšlenka SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation) je jednoduchá: během každého časového intervalu se aplikuje první z možných směrů po určitou dobu, druhá po jinou dobu a kombinace, která vede k nulovému napětí, po zbytek času. V průměru za celý interval motor „vidí“ přesně požadované napětí. Čím vyšší je požadované napětí, tím méně času zbývá pro kombinaci, která vede k nulovému napětí.

Cívky motoru vyhlazují tyto pulzy. Protože se tato perioda opakuje desítky tisícůkrát za sekundu, výsledný proud je téměř dokonalá sinusoida.

Proč o 15 % vyšší napětí?

S jednoduchou sinusovou modulací, každá fáze sleduje svou vlastní sinusovku, která je centrována kolem poloviny napětí baterie. Její amplituda nemůže překročit tuto polovinu: napětí mezi dvěma fázemi se tak omezuje na hodnotu nižší, než by baterie teoreticky mohla poskytnout.

Motor zaznamenává pouze rozdíly napětí mezi jednotlivými fázemi. Algoritmus SVPWM využívá tuto vlastnost: neustále posouvá "střed" společný pro všechny tři fáze, čímž maximalizuje využití napětí baterie. Maximální využitelné napětí se tak zvyšuje z poloviny napětí baterie na přibližně 58 % (1 děleno odmocninou ze tří), což představuje zisk přibližně 15 %.

Konkrétně, s použitím stejné baterie a stejného motoru, maximální rychlost před snížením magnetického toku je vyšší. Dosáhneme stejného výsledku přidáním komponenty o třechkrát vyšší frekvenci ke každé sinusové vlně, která se mezi fázemi vyruší: je to stejný trik, jen jinak.

Nadměrná modulace

Když požadované napětí překročí hodnotu, kterou může hexagon stabilně produkovat, regulátor může ještě mírně zvýšit výkon deformací sinusové vlny, až do bodu, kdy využívá pouze šest aktivních kombinací, jednu za šestinu otáčky: jedná se o tzv. "vlna se šesti kroky". Získáme tak několik procent navíc napětí, ale za cenu méně sinusového proudu, zvýšených ztrát a většího hluku.

Praktické detaily, na kterých záleží

• Doba odezvy mezi zapnutím jednoho spínače a vypnutím druhého mírně deformuje napětí, které je produkováno. Kvalitní kontrolery tuto deformaci kompenzují.
• Měření proudu se provádí během nulové kombinace, kdy proud protéká měřicími rezistory bez narušení. Při velmi vysokém požadovaném napětí se tato časová okna zkracuje.
• Symetrické uspořádání nulových kombinací na začátku a na konci každého období snižuje pulzace proudu a šum.