Forklaring af vektorkontrol (FOC): Clarke, Park, d- og q-akser

Næsten alle moderne performance-controllere styrer deres motorer ved hjælp af vektorstyring, som er mere kendt under sit engelske navn FOC ("Field Oriented Control"). Det er kendt for at gøre motoren mere støjsvag og mere effektiv. Denne guide forklarer, hvordan det fungerer, uden komplicerede ligninger, men uden at udelade noget.

Problemet, der skal løses

En permanentmagnetmotor har magneter på sin roterende del (rotoren) og spoler på sin faste del (stator). Strømmen i spolerne skaber et magnetfelt; magneterne har deres eget. Drejningsmomentet opstår ved tiltrækningen mellem de to, præcis som når man bringer to magneter tæt på hinanden.

Dette drejningsmoment er maksimalt, når magnetfeltet fra viklingerne er foran magnetfeltet fra magneterne med en kvart omdrejning, hvilket svarer til 90°. Jo tættere de er, jo mindre kraft udvikles, og jo mere varme genereres. Ved 0° udløser det kun varme i motoren. Eftersom rotoren roterer, skal magnetfeltet fra viklingerne rotere med den, og opretholde denne vinkel, hundredvis af gange i sekundet.

Styringen med firkantbølge begrænser sig til seks positioner pr. omdrejning: vinklen varierer omkring 90°, men den forbliver aldrig præcist på den værdi. Dette resulterer i udsving i momentet og støj. FOC (Field-Oriented Control) sigter derimod på at opretholde en vinkel på præcis 90° konstant.

Trin 1: Mål strømmen og bestem positionen

Controlleren måler strømmen i motorens faser, titusindvis af gange i sekundet. Da summen af de tre strømme er nul, er det i teorien nok at måle to af dem; mange controllere måler alle tre for at opnå større præcision.

Han har også brug for vinklen på rotoren, som kan bestemmes ved hjælp af sensorer (Hall, encoder), eller estimeres ved hjælp af en beregning kaldet en "observator", baseret på spændinger og strømme. Vores guide om positionsensorer beskriver disse løsninger.

Trin 2: Clarke-transformation, fra tre faser til to

De tre faser af motoren er forskudt med 120°. Clarke-transformationen grupperer de tre strømme i to vinkelrette komponenter, kaldet alfa og beta, uden at miste nogen information. Man går fra et system med tre akser til et almindeligt plan med to akser. Disse to strømme forbliver vekselstrøm: de roterer med motoren.

Trin 3: Parker, og observer fra rotoren

Det er det centrale i FOC-teknologien. Park-transformationen får denne plan til at rotere sammen med rotoren, og udnytter dermed rotorens vinkel. Set fra rotoren ser strømmen ikke længere ud til at rotere; den bliver i stedet to næsten konstante værdier.

• Strømmen (for "direkte") er justeret i forhold til magnetfeltet. Den producerer ikke et drejningsmoment i en motor med overflademagneter; den forstærker eller svækker i stedet magnetfeltet.
• Strømmen q (for "kvadratur") er 90° fra magneterne. Det er denne strøm, der producerer drejningsmomentet, proportionalt.

At styre en tre-faset vekselstrømsmotor bliver dermed lige så enkelt som at styre en jævnstrømsmotor: man justerer to faste værdier i stedet for at forsøge at styre tre sinusbølger.

Trin 4: Regulatorerne

Gashåndtaget fastlægger et moment, og dermed en strøm (q). Strømsetpunktet (d) er typisk nul i de fleste tilfælde. To regulatorer, en for hver akse, sammenligner konstant den målte strøm med dens setpunkt og beregner den spænding, der skal påføres for at korrigere afvigelsen. Disse er generelt proportionale-integrale (PI) regulatorer, hvis indstillinger afhænger af motorens modstand og induktans. Det er for at beregne disse værdier, at man udfører motordetektionen.

Trin 5: Bakgear og modulationsstyring

Regulatoren leverer to spændinger, refereret til i forhold til rotorens position. Park-transformationen konverterer disse spændinger tilbage til et fast referencesystem for statoren, hvorefter controlleren omsætter dem til åbnings- og lukningskommandoer for de seks switches i effektbroen. Dette sidste trin kaldes modulation; den mest udbredte metode, kaldet vektorstyring (SVPWM), udnytter en smule mere brugbar spænding fra batteriet sammenlignet med simpel sinusformet modulation.

Hele denne cyklus gentages for hver periode af opdelingen, typisk titusindvis af gange i sekundet. Vores guide om indretningen af en elektronisk motorstyring viser de komponenter, der udfører disse kommandoer.

Hvad FOC konkret bidrager med:

• Et normalt koblingssystem: Færre vibrationer, en blødere start og en mere støjsvag motor.
• Bedre effektivitet: Hver ampere bruges, hvor den genererer moment, hvilket reducerer opvarmningen ved samme moment.
• Direkte momentkontrol: Gashåndtaget styrer en kraft, hvilket giver en præcis køreoplevelse.
• Defluxning: Ved at justere strømmen kan man overskride den maksimale "naturlige" hastighed for motoren. Se vores guide om defluxning.

Grænserne

• FOC-funktionen er afhængig af en præcis rotorposition. En fejl i vinklen fører til tab af moment og overophedning af motoren.
• Den er baseret på en model af motoren: forkerte parametre (fejlagtig detektering, motor, der er blevet meget varm) forringer ydeevnen.
• Den kræver mere beregningskraft, hvilket betyder en hurtigere mikrocontroller end en styring med firkantbølge.