Styrekredsløbet i en controller: PI-regulatorer, forstærkninger og båndbredde

Når du accelererer, styrer du ikke en spænding, men et moment, og dermed en strøm. Controlleren skal sørge for, at den faktiske strøm i motoren følger denne indstilling, på trods af at hastigheden ændrer sig, batteriet aflades og motoren bliver varm. Dette arbejde udføres af en strømsløjfe, der er bygget omkring såkaldte PI-regulatorer. Deres indstilling er afgørende for, om motoren kører jævnt og præcist, eller om den larmer, vibrerer eller reagerer langsomt.

Funktionen af strømkredsløbet

I en vektorstyring reguleres to strømme: strøm q, som genererer drejningsmoment, og strøm d, som holdes på nul eller bruges til at justere feltstyrken. Hver akse har sin egen regulator. Ved hver tidsperiode modtager de forskellen mellem den ønskede værdi og den målte værdi, og beregner den spænding, der skal påføres.

P som proportional

Proportionalfunktionen anvender en korrektion, der er proportional med afvigelsen: jo større afvigelse, jo større korrektion. Den reagerer øjeblikkeligt. Alene efterlader den dog en lille, permanent afvigelse, da der skal være en afvigelse, før den kan virke. Og hvis dens forstærkning er for høj, overkorrigerer den: strømmen oscillerer omkring det ønskede niveau.

Som helhed

Udtrykket "integral" summerer afvigelsen over tid. Så længe en afvigelse eksisterer, selv en lille en, vokser korrektionen, indtil den eliminerer afvigelsen. Det er denne korrektion, der kompenserer for eksempel for spændingen, der produceres af motoren, når den roterer, og som stiger med hastigheden. Hvis den er for kraftig, kan den forårsage overskridelser og langsomme svingninger.

Beregn ydelsen ud fra motoren

En motorvikling opfører sig, for strømkredsløbet, som en modstand i serie med en induktans. Dette muliggør en systematisk justering:

• man vælger den ønskede hastighed for loopet, samt dets båndbredde;
• Den proportionelle forstærkning er lig med induktansen ganget med denne båndbredde
• Den totale forstærkning er lig med resistansen ganget med den samme båndbredde.

Med dette valg kompenserer regulatoren præcist for spolevindingsadfærd, og strømmen følger det valgte setpunkt med den ønskede hastighed, uden overskridelser. Derfor måler motordetektionen modstand og induktans: fordelene opnås som følge heraf.

Hvor hurtigt kan man egentlig komme?

Vi ønsker en så hurtig kontrolsløjfe som muligt. Men den er begrænset af den frekvens, hvormed controlleren måler og korrigerer, det vil sige skæringsfrekvensen (PWM), samt af måle- og beregningsforsinkelser. I praksis holder vi båndbredden for kontrolsløjfen betydeligt under skæringsfrekvensen. Over denne grænse bliver sløjfen ustabil: motoren hviner, strømmen oscillerer, og controlleren kan udløse en overstrømsbeskyttelse.

Når spændingen er utilstrækkelig: mætning

Ved høje hastigheder kan regulatoren kræve en højere spænding, end batteriet kan levere. Den anvendte spænding når en grænse, strømmen følger ikke med, og integraltermen fortsætter med at akkumulere forskellen. Når situationen løsnes, forårsager denne akkumulering et ryk. Seriøse controllere begrænser derfor akkumuleringen under mætning: det er "anti-overbelastnings"-funktionen for integratoren. Det er også i dette område, at man anvender felt-svækkelse.

Sløjfer omkring strømsløjfen

Strømforløbet er det hurtigste og mest indre. Andre strømforløb, som er langsommere, kan basere sig på dette:

• en hastighedssløjfe, som fastlægger strømniveauet for at opretholde en bestemt hastighed (fartpilot, hastighedsbegrænsning);
• En positionsloop, til brug for robotter og aktuatorer;
• begrænsere, som reducerer den ønskede effekt baseret på batteriets temperatur eller spænding.

På en el-scooter styrer acceleratoren typisk direkte strømmen: det giver en følelse af et klart og præcist moment.