Vektorstyring (SVPWM): Sådan genererer en controller sinusbølger ved hjælp af seks switches

Den vektorstyring beregner i hvert øjeblik den spænding, der skal påføres motoren. Den skal derefter genereres ved hjælp af en seks-trins bro, som kun kan udføre to ting: være åben eller lukket. Det er her, moduleringen kommer ind i billedet, og den mest udbredte metode kaldes vektor-modulering, eller SVPWM ("Space Vector Pulse Width Modulation").

Otte stater, ikke en mere

Hver fase af motoren er forbundet enten til plus- eller minuspolen på batteriet, afhængigt af hvilken af de to afbrydere der er lukket (se indvendigt i en motorstyreenhed). Med tre faser og to positioner for hver fase, er der 2 × 2 × 2 = 8 kombinationer.

• Seks aktive kombinationer : mindst én fase er på maksimal værdi, og mindst én er på minimal værdi. Hver kombination skubber motorens felt i en fast retning. Disse seks retninger er placeret med 60° mellemrum og danner en hexagon.
• To nul-kombinationer: enten alle tre faser, eller mindst tre faser. Der påføres ingen spænding mellem faserne.

Generer en vilkårlig spænding ved hjælp af gennemsnitsværdi

Vectorstyringen kræver en spænding med en bestemt styrke og i en bestemt retning, som roterer sammen med rotoren. Denne retning ligger næsten altid mellem to af de seks tilgængelige retninger.

Ideen bag SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation) er enkel: under hver tidsperiode, anvendes den første tilgængelige retning i en brøkdel af tiden, den anden i en anden brøkdel, og en nul-kombination resten af tiden. I gennemsnit over perioden "ser" motoren præcis den ønskede spænding. Jo højere den ønskede spænding er, desto mindre tid er der til rådighed for nul-kombinationen.

Motorens viklinger udglatter disse impulser. Da perioden gentages titusindvis af gange i sekundet, er det resulterende strømforløb næsten en perfekt sinusbølge.

Hvorfor 15 % ekstra spænding?

Med en simpel sinusbølge-modulation følger hver fase sin egen sinusbølge, centreret omkring halvdelen af batterispændingen. Dens amplitude kan ikke overstige denne halve værdi: spændingen mellem to faser vil derfor maksimalt være under det, batteriet potentielt kunne levere.

Motoren registrerer kun spændingsforskelle mellem sine faser. SVPWM udnytter dette ved konstant at flytte det "fælles" punkt for de tre faser for at udnytte hele batterispændingen. Den maksimale udnyttelige spænding stiger fra halvdelen af batterispændingen til omkring 58 % (et divideret med kvadratroden af tre), hvilket giver en forbedring på omkring 15 %.

Konkret set, med det samme batteri og den samme motor, er den maksimale hastighed før afmagnetisering højere. Man opnår det samme resultat ved at tilføje en komponent til hver sinusbølge, som er tre gange dens frekvens, og som ophæver hinanden mellem faserne: det er den samme teknik, set på en anden måde.

Ud over det: overmodulation

Når den ønskede spænding overstiger det, som en sekskantet bølgeform kan levere kontinuerligt, kan controlleren stadig opnå en smule mere ved at forvrænge sinusbølgen, indtil den kun anvender de seks aktive kombinationer, én for hver sjettedel af en omdrejning: dette er "seks-trins"-bølgen. Man opnår et par procent mere spænding, men til gengæld får man en mindre sinusformet strøm, samt øget tab og støj.

De detaljer, der er vigtige i praksis

• Forsinkelsen mellem åbningen af en kontakt og lukningen af den anden forvrænger let den genererede spænding. Gode controllere kompenserer for dette.
• Målingen af strømmen foretages under en nul-kombination, hvor strømmen løber gennem målemodstandene uden at blive forstyrret. Ved meget høje ønskede spændinger bliver dette tidsvindue kortere.
• Den symmetriske placering af de null-værdier i kombinationerne i starten og slutningen af hver periode reducerer strømudsving og støj.